ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE …dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/5118/1/20T00752.pdf5000 DE LA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA WARTSILA VASA 32 UBICADA EN YURALPA BLOQUE

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

“ANÁLISIS Y PROPUESTA DE MEJORA DE CONFIABILIDAD

DE LA PLATAFORMA DE CONTROL PLC CONTROLLOGIX

5000 DE LA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA WARTSILA

VASA 32 UBICADA EN YURALPA BLOQUE 21”

AUTOR: MARCO VINICIO CUNACHI AGUILAR

Trabajo de Titulación modalidad Proyectos de Investigación y Desarrollo, presentado

ante el Instituto de Postgrado y Educación Continua de la ESPOCH, como requisito

parcial para la obtención del grado de MAGÍSTER EN GESTIÓN DEL

MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Riobamba - Ecuador

Junio 2016

ii

DERECHOS INTELECTUALES

Yo, Marco Vinicio Cunachi Aguilar, declaro que soy responsable de las ideas, doctrinas y

resultados expuestos en el Trabajo de Titulación modalidad Proyectos de Investigación y

Desarrollo, y que el patrimonio intelectual generado por la misma pertenece exclusivamente a

la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.

__________________________

Marco Vinicio Cunachi Aguilar

CI. 1802420719


iii

CERTIFICACIÓN:

EL TRIBUNAL DE TRABAJO DE TITULACIÓN CERTIFICA QUE:

El Trabajo de Titulación modalidad Proyectos de Investigación y Desarrollo, denominado

“ANÁLISIS Y PROPUESTA DE MEJORA DE CONFIABILIDAD DE LA PLATAFORMA

DE CONTROL PLC CONTROLLOGIX 5000 DE LA PLANTA DE GENERACIÓN

ELÉCTRICA WARTSILA VASA 32 UBICADA EN YURALPA BLOQUE 21”, de

responsabilidad del Sr. Marco Vinicio Cunachi Aguilar ha sido prolijamente revisado y se

autoriza su presentación.

Tribunal:

_______________________________ _________________

Ing. Fernando Esparza Paz; MDE FIRMA

PRESIDENTE

_______________________________ _________________

Ing. José Antonio Granizo; Ph D. FIRMA

DIRECTOR

_______________________________ _________________

Ing. Jorge Estuardo Freire Miranda; M.Sc. FIRMA

MIEMBRO

_______________________________ _________________

Ing. Henry Ernesto Vallejo Vizhuete; M.Sc. FIRMA

MIEMBRO

Riobamba, junio 2016

iv

DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD

Yo, Marco Vinicio Cunachi Aguilar, declaro que el presente Trabajo de Titulación modalidad

Proyectos de Investigación y Desarrollo, es de mi autoría y que los resultados del mismo son

auténticos y originales. Los textos constantes en el documento que provienen de otra fuente

están debidamente citados y referenciados.

Como autor, asumo la responsabilidad legal y académica de los contenidos de este proyecto de

investigación de maestría.

Riobamba, 1 de junio de 2016

__________________________

Marco Vinicio Cunachi Aguilar

CI. 1802420719

v

DEDICATORIA

A Martha, mi amada esposa, quien ha sido mi apoyo y ayuda idónea. A Kerly, Sandy y Matías,

mis hijos, por quienes he tenido la inspiración para alcanzar nuevas metas.

Marco

vi

AGRADECIMIENTO

Agradezco primeramente a DIOS, porque me brinda una nueva oportunidad cada día. A la

ESPOCH, por la apertura brindada para mi preparación académica. Al tutor y a los miembros

del tribunal, por compartir sus conocimientos y sugerencias que coadyuvaron a alcanzar una

meta.

Marco

vii

TABLA DE CONTENIDO

PORTADA………………………………………………………………………………... i

DERECHOS INTELECTUALES………………………………………………………. ii

CERTIFICACIÓN……………………………………………………………………….. iii

DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD………………………………………………. iv

DEDICATORIA…………………………………………………….……………………. v

AGRADECIMIENTO………………………………………………………………….... vi

TABLA DE CONTENIDO…………………………………………………………….... vii

ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………….... ix

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES………………………………………………………... xii

ÍNDICE DE ECUACIONES……………………………………………………………. xv

ÍNDICE DE ANEXOS……...……………………………………………………………. xvi

RESÚMEN……………………………………………………………………………….. xvii

SUMARY….……………………………………………………………………………… xviii

INTRODUCCIÓN…………………………………………………….………………..... 1

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN………………………...……………… 2

1.1 Planteamiento del problema…………………………….…………………….. 2

1.2 Formulación del problema………………………………………..…………… 3

1.3 Sistematización del problema…………………………………….…………… 3

1.4 Justificación de la investigación…………………………………….…………. 3

1.5 Objetivos…………………………………………………………..….………… 4

1.5.1 Objetivo General…………………………………………………….………….. 4

1.5.2 Objetivos Específicos……………………………………………….…………... 5

1.6 Hipótesis…………………………………………………………..…………..... 5

2. MARCO DE REFERENCIA……………………………….…………………. 6

2.1 Definiciones y conceptos………………………..…………………………...…. 6

2.1.1 Definiciones……………………………………………………………………... 6

2.1.2 Conceptos…..………………………………………………………………….... 8

2.1.2.1 PLC Controlador Lógico Programable……...………………………………….. 8

2.1.2.2 Confiabilidad…………………………………………………………………….. 29

2.1.2.3 Diagrama de Bloques de Confiabilidad (RBD Reability Block Diagram)………. 36

viii

2.2 Estado del arte…………………………………………………...…………….... 46

2.2.1 Plataforma de Control……………..…………………………...……………….. 46

2.2.2 Controladores………………………..…………………………………………... 47

3. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN………………………………...……….. 48

3.1 Metodología………………………………………...…………………..……….. 48

3.2. Técnicas e instrumentos de investigación………………………….……...…... 49

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN…………………..………………………….... 50

4.1 Diagnóstico………………...…………………………………………………..... 50

4.1.1 Planta de generación en el Bloque 21……………………………….……….… 50

4.1.2 Common - PLC Principal……………………………………..……………….... 52

4.1.3 PLC Genset – PLC del grupo Electrógeno……………………………..………. 52

4.2 Producto final del proyecto de investigación…………………………………. 54

4.2.1 Procedimiento………………….……………………………………………...… 54

4.2.2 Evaluación preliminar…………….…………………………………………..… 57

4.2.2.1 Evaluación de la Confiabilidad del Sistema en 1 año de Funcionamiento……… 57

4.2.2.2 Evaluación de la Confiabilidad del Sistema a los 13 años de

Funcionamiento………………………………………………………………..… 86

4.2.3 Análisis de resultados…………………………………………………………… 92

4.2.3.1 Estudio de Obsolescencia………………………………………………............... 92

4.2.3.2 Resultados Obtenidos……………………………………………………............. 98

4.2.3.3 Verificación de la Hipótesis……………………………………………………… 98

4.2.3.4 Aporte Científico…………………………………………………………………. 109

5. PROPUESTA........................................................................................................ 110

5.1 Establecer los reemplazos de los ítems obsoletos del sistema........................... 110

5.2 Identificar los ítems críticos que introducen baja confiabilidad al

sistema................................................................................................................... 110

5.3 Cambiar los ítems obsoletos y los que introducen baja confiabilidad

al sistema………………………………………….....…….……………………. 111

CONCLUSIONES………………………………………………....…………………….. 115

RECOMENDACIONES………………………………………………………………… 117

BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-2 Diferencias y Similitudes de los Controladores 1756-L6x y 1756-L7x……. 11

Tabla 2-2 Conexiones Locales………...………………………………………………. 13

Tabla 3-2 Chasis ControlLogix y Ranuras (Slots) Existentes…………………………. 13

Tabla 4-2 Características del Módulo 1756-CNET ControlNet….……...……………. 19

Tabla 5-2 Características del Módulo 1756-DNET DeviceNet……………………….. 20

Tabla 6-2 Chasis Redundantes (a)………....………………………………………….. 23

Tabla 7-2 Chasis Redundantes (b)…………………………………………………….. 24

Tabla 1-3 Técnicas e Instrumentos para la Recolección de la Información…………... 49

Tabla 1-4 Formato para Cálculo de Confiabilidad……………………………………. 55

Tabla 2-4 Hoja de Cálculo para Calcular la Confiabilidad……………………………. 56

Tabla 3-4 CFA 901 RACK A1………………………………………………………... 59

Tabla 4-4 CFA 901 RACK A2………………………………………………………... 59

Tabla 5-4 CFA 901 RACK A3……………………………………………………....... 59

Tabla 6-4 CFA 901 RACK A4 MV-SWG…………………………………………….. 59

Tabla 7-4 CFA 901 RACK A5 MV-SWG…………………………………………….. 60

Tabla 8-4 OPERATOR INTERFACE A11…………………………………………… 60

Tabla 9-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A1 en 1 Año……………. 61

Tabla 10-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A2 en 1 Año……................ 62

Tabla 11-4 Cálculo de la Confiabilidad Total del Rack A3 en 1 Año……….……….... 63

Tabla 12-4 Cálculo de la Confiabilidad Total del Rack A4 en 1 Año……....………… 65

Tabla 13-4 Cálculo de la Confiabilidad Total del Rack A5 en 1 Año………………… 66

Tabla 14-4 CFC 011 RACK A1………………………………………………………. 68

Tabla 15-4 CFC 011 OPERATOR INTERFACE…………………………………….. 69

Tabla 16-4 CFE 011 FLEX I/O RACK A2…………………………………………… 69


Tabla 18-4 CFE 011 OPERATOR INTERFACE….………………………………….. 69

Tabla 19-4 CFC 011 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG…………………………… 69

Tabla 20-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A1 en 1 Año…………….. 70

Tabla 21-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A2 en 1 Año...…………… 72

Tabla 22-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A3 en 1 Año……...……… 73

Tabla 23-4 Resultados de la Confiabilidad Total del Rack A4 en 1 Año……………... 75

Tabla 24-4 CFC 021 RACK A1……………………………………………………….. 77

x

Tabla 25-4 CFC 021 OPERATOR INTERFACE A11………………………………... 77



Tabla 28-4 CFE 021 OPERATOR INTERFACE A11………………………............... 78

Tabla 29-4 CFC 021 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG…………………................ 78

Tabla 30-4 CFC 031 RACK A1……………………………………………………….. 80


Tabla 32-4 CFE 031 FLEX I/O RACK A2…………………………………................ 80

Tabla 33-4 CFE 031 FLEX I/O RACK A3…………………………………................ 80



Tabla 36-4 CFC 041 RACK A1……………………………………………………….. 82

Tabla 37-4 CFC 041 OPERATOR INTERFACE A11………………………............... 82

Tabla 38-4 CFE 041 FLEX I/O RACK A2……………………………………………. 83


Tabla 40-4 CFC 041 OPERATOR INTERFACE A11………………………............... 83


Tabla 42-4 CFA 901 RACK A1………………………………………………………. 86

Tabla 43-4 CFA 901 RACK A2………………………………………………………. 87

Tabla 44-4 CFA 901 RACK A3………….……………………………………………. 87

Tabla 45-4 CFA 901 RACK A4 MV-SWG…………………………………………… 87

Tabla 46-4 CFA 901 RACK A5 MV-SWG…………………………………………… 87

Tabla 47-4 CFC 011 RACK A1……………………………………………………….. 89




Tabla 51-4 Hallazgos CFA 901 RACK A1…………………………………………… 92

Tabla 52-4 Hallazgos CFA 901 RACK A2…………………………………………… 93

Tabla 53-4 Hallazgos CFA 901 RACK A4 MV-SWG………………………………... 93

Tabla 54-4 Hallazgos CFA 901 RACK A5 MV-SWG………………………………... 93

Tabla 55-4 Hallazgos CFA 901 OPERATOR INTERFACE A11……………………. 93

Tabla 56-4 Hallazgos CFC 011 RACK A1……………………………………………. 94

Tabla 57-4 Hallazgos CFC 011 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG………………... 94

Tabla 58-4 Hallazgos CFE 011 OPERATOR INTERFACE………………………….. 94

Tabla 59-4 Hallazgos CFC 011 OPERATOR INTERFACE………………………….. 94


xi

Tabla 61-4 Hallazgos CFC 021 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG………............... 95

Tabla 62-4 Hallazgos CFE 021 OPERATOR INTERFACE …………………………. 95



Tabla 65-4 Hallazgos CFC 031 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG………............... 96




Tabla 69-4 Hallazgos CFC 041 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG………………... 97



Tabla 72-4 Respuestas Pregunta 1…………………………………………………….. 99








Tabla 80-4 Respuestas Pregunta 9…………………………………………………...... 107

Tabla 81-4 Respuestas Pregunta 10…………………………………………………… 108

Tabla 1-5 Módulos Obsoletos y sus Respectivos Reemplazos……...………............... 110

Tabla 2-5 Cálculo de Confiabilidad de los PLC Genset de los 4 Generadores en

Configuración 2-out-of-4…..…...………………………………................. 112

Tabla 3-5 Cálculo de Confiabilidad del PLC principal CFA-901…………...………. 113

Tabla 3-6 Comparativo de Confiabilidad……………..……………………………… 114

xii

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Figura 1-2 Arquitectura Varios PLC Conectados en Red……...………………………. 9

Figura 2-2 Arquitectura NetLinx (a)……..…………………………………………….. 10

Figura 3-2 Chasis 1756-A7, Fuente de Alimentación y Módulos ControlLogix………. 11

Figura 4-2 Chasis 1756-A10 y Fuente de Alimentación...……………………………... 14

Figura 5-2 Controlador ControlLogix y E/S Remotas………………………..………... 15

Figura 6-2 Controlador ControlLogix y E/S Remotas con Módulos FLEX I/O 174…… 15

Figura 7-2 Arquitectura NetLinx (b)……….………………………………………...… 16

Figura 8-2 Red Ethernet con PLC ControlLogix….…...………………………............. 17

Figura 9-2 EtherNet/IP (Protocolo industrial)...…..……………………………............. 18

Figura 10-2 Características ControlNet………..………………………………………... 19

Figura 11-2 Características DeviceNet………………..………………………………… 20

Figura 12-2 Redundancia ControlNet…………………………………………………… 23

Figura 13-2 Redundancia EtherNet IP………………………………………………… 24

Figura 14-2 Crossload desde el Controlador Primario al Secundario…………………… 25

Figura 15-2 PLC ControlLogix Redundantes Sincronizados……….…………………… 27

Figura 16-2 PLC Redundantes sin la Opción de Sincronismo…………………………. 28

Figura 17-2 Red Redundante.…………………………………………………………. 29

Figura 18-2 Tipos de Fallos…………………………………………………………… 30

Figura 19-2 Diagrama de Tiempos Medios de un Sistema que no precisa

Interrupción del Funcionamiento para el Mantenimiento preventivo…….. 31

Figura 20-2 Parámetros MTBF......................................................................................... 32

Figura 21-2 Curva de la Bañera………………………………………………………... 33

Figura 22-2 Curva de Confiabilidad para Tasa de Fallos Constante…………………... 34

Figura 23-2 Mantenibilidad a través de MTTR………………………………………... 35

Figura 24-2 Disponibilidad a través de Availability…………………………………… 35

Figura 25-2 Ejemplo de un RBD………………………………………………………. 36

Figura 26-2 RBD para Análisis de Confiabilidad……………………………………… 37

Figura 27-2 Sistema en Serie…………………………………………………………... 37

Figura 28-2 Sistema en Paralelo……………………………………………………….. 38

Figura 29-2 Sistema k-de-n…………………………………………………………….. 38

Figura 30-2 RBD en Serie…………………………………………..………………….. 39

Figura 31-2 RBD en Paralelo………………………………………………………….. 40

xiii

Figura 32-2 RBD Configuración k-out-of-n para Componentes Idénticos e

Independientes……………………………………………………….…….. 41

Figura 33-2 Dos Ítems en Paralelo, Hot Standby……………………………….……… 42

Figura 34-2 # Ítems en Paralelo, Warm Standby con Switch Ideal.................................. 43

Figura 35-2 # Ítems en Paralelo, Cold Standby con Switch Ideal………….…………... 44

Figura 1-4 Grupos Electrógenos Ubicados en Yuralpa B21…………….…..………… 50

Figura 2-4 Arquitectura del Sistema PLC ControlLogix ………….….………………. 51

Figura 3-4 Arquitectura del sistema PLC ControlLogix configurado en el HMI……... 51

Figura 4-4 Switchgear de 13.8 kV…………………………………………………….. 53

Figura 5-4 Tableros de Control del Sistema de PLC en Cuarto de Operaciones……… 53

Figura 6-4 Arquitectura del PLC Principal……………………………………………. 58

Figura 7-4 Rack A1………..…….…………………………………………………….. 60

Figura 8-4 Diagrama RBD Rack A1…………………………………..……………… 61

Figura 9-4 Backplane A2………………………..……………………………………. 61

Figura 10-4 Diagrama RBD Rack A2………………………………………….............. 62

Figura 11-4 Rack A3…………….……………………………………………………... 62

Figura 12-4 Representación RBD Rack A3……………………………………………. 63

Figura 13-4 Rack A4…………………………………………………………………… 64


Figura 15-4 Rack A5…………………………………………………………………… 65


Figura 17-4 Diagrama RBD Equivalente ……………………………………................ 66

Figura 18-4 Diagrama RBD Equivalente con Cálculo de Confiabilidad….…………… 67

Figura 19-4 Arquitectura del PLC Genset 1……………….…………………………… 68

Figura 20-4 Rack A1 y la Disposición de sus Elementos…….………………………… 70

Figura 21-4 Diagrama RBD Rack 1……………………………………………………. 70

Figura 22-4 RBD del CFE 011 Flex I/O rack A2…………….………………………… 71

Figura 23-4 Diagrama RBD Rack 2……………………………………………………. 72

Figura 24-4 RBD del CFE 011 Flex I/O rack A3…………….………………………… 73

Figura 25-4 Diagrama RBD Rack A3……………..……………………………............. 73

Figura 26-4 Rack A4 y la Disposición de sus Elementos…….………………………… 74

Figura 27-4 Diagrama RBD Rack A4…………….…………………………………….. 75

Figura 28-4 Diagrama Equivalente del PLC Genset 1………………..………................ 76

Figura 29-4 Arquitectura del PLC del Genset 2………………………………………... 77



xiv

Figura 32-4 RBD Equivalente (PLC Genset funcionando adecuadamente y dos en

Falla)……….……………...……………………………………………….. 84

Figura 33-4 Diagrama Equivalente de Confiabilidad de los PLC Genset de los

Generadores…………...…………………………………………………... 85

Figura 34-4 Diagrama en Serie del RBD Equivalente del Sistema PLC………….……. 85

Figura 35-4 Diagrama RBD Final con Confiabilidad para un Año del Sistema de

PLC………………………………………………………………………… 86

Figura 36-4 Confiabilidades de los Racks Individuales en el Diagrama RBD

Equivalente (A1-A5) del PLC Principal…………………………………... 88

Figura 37-4 Diagrama RBD Equivalente Resolviendo la Redundancia Hot

Standby de los racks A1 y A2…………….……………………….............. 88

Figura 38-4 Diagrama RBD Final de la Confiabilidad del PLC PRINCIPAL

CFA901 en 13 años……....………………………………………………... 88

Figura 39-4 Confiabilidades de los Racks Individuales en el Diagrama RBD

Equivalente (A1-A41)…………………………………………………….. 90

Figura 40-4 Diagrama RBD Final de la Confiabilidad del PLC Genset 1 en Trece

Años……….……………………………………………………………….. 90

Figura 41-4 RBD Equivalente (PLC Genset Funcionando Adecuadamente y dos

en Falla)……………………………………………………...……………. 91

Figura 42-4 Diagrama RBD Final de la Confiabilidad de los PLC Genset……….……. 91

Figura 43-4 Diagrama RBD Equivalente del Sistema de PLC y Genset en serie………. 91

Figura 44-4 Diagrama RBD Final de la Confiabilidad del Sistema PLC para

Bloques en Serie en Trece Años…………....……………………………... 92

Figura 45-4 Representación Gráfica de Porcentajes de Respuestas a la Pregunta 1……. 99



Figura 48-4 Representación Gráfica de Porcentajes de Respuestas a la Pregunta 4…..... 102






Figura 54-4 Representación Gráfica de Porcentajes de Respuestas a la Pregunta

10................................................................................................................... 108

xv

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1-2 MTBF……………………………………………………………………... 32

Ecuación 2-2 Función Exponencial para Cálculo de la Confiabilidad…………………... 34

Ecuación 3-2 Confiabilidad para Tasa de Fallos Constante……………………………... 34

Ecuación 4-2 Mantenibilidad a través de MTTR…………………………………........... 35

Ecuación 5-2 Disponibilidad a través de Availability……………………………............ 35

Ecuación 6-2 Confiabilidad de las Estructuras en Serie…………………………………. 39

Ecuación 7-2 Confiabilidad de las Estructuras en Paralelo………………………............ 40

Ecuación 8-2 Confiabilidad de las Estructuras en Paralelo k-out-of-n…………………. 41

Ecuación 9-2 Combinatorio………………………………………………………........... 42

Ecuación 10-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Hot Standby…….......... 43

Ecuación 11-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Hot Standby para

Ítems Iguales………………………………………………………………. 43

Ecuación 12-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Warm Standby………... 44

Ecuación 13-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Warm Standby

cuando los Componentes son Independientes…………………………...... 44

Ecuación 14-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Cold Standby…………. 45

Ecuación 15-2 Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Cold Standby

cuando los Componentes son Independientes…..………………………… 45

xvi

ÍNDICE DE ANEXOS

DATOS DE MTBF……………………………………………………………… ANEXO A

INFORME DE AUDITORÍA DEL SISTEMA DE CONTROL…………….. ANEXO B

ENCUESTA……………………………………………………………………... ANEXO C

xvii

RESÚMEN

El análisis y propuesta de mejora de confiabilidad de la plataforma de control PLC (Controlador

Lógico Programable) ControlLogix 5000 de la planta de generación eléctrica Wartsila Vasa 32

ubicada en Yuralpa Bloque 21, en el cantón Tena de la provincia del Napo; se obtienen las

condiciones actuales del sistema, verificando que la confiabilidad es baja y necesita ser

actualizada para mantener la planta de generación eléctrica en optima condición operacional. La

arquitectura física del sistema de PLC, se lo convierte a diagramas de confiabilidad RBD

(Diagramas de Bloques de Confiabilidad), e inicia desde las tarjetas de cada rack y resolviendo

diagramas hasta llegar a la confiabilidad total del sistema. Para implementar los diagramas RBD

es necesario llevar cada rack del sistema a bloques serie paralelo y se resuelve aplicando

ecuaciones características. Se aplican las ecuaciones de redundancia hot standby para resolver el

RBD del PLC CFA901 y de la configuración paralelo k-out-of-n que resulta de la necesidad

operativa de la operación, de las unidades de generación en la planta. Los PLC son sistemas

robustos y no presentan muchas fallas, por tanto, se utiliza el MTBF (Tiempo Medio entre

Fallas), cuyos datos se utilizan para calcular la confiabilidad de cada componente. Según la

evaluación de la plataforma de control PLC a los 13 años de funcionamiento, se concluye como

resultado que la confiabilidad de 0.317288834 es baja, puesto que con el modelo probabilístico

se evidencia que en cualquier componente esta disminuye con el tiempo, aunque no haya fallado

durante el periodo de estudio; por lo tanto se recomienda cambiar los ítems obsoletos y las

tarjetas 1794-IRT8 del rack CFE0_1 FLEX I/O A2 de toda la plataforma de control; y, en estas

condiciones se calcula la confiabilidad del sistema total a los 14 años de funcionamiento,

comprobando la mejora de la confiabilidad del sistema a 0.713425971.

Palabras clave: <PLATAFORMA DE CONTROL>, <CONTROLADOR LÓGICO

PROGRAMABLE (PLC)>, <CONFIABILIDAD, DIAGRAMAS DE BLOQUES DE

CONFIABILIDAD (RBD)>, <TIEMPO MEDIO ENTRE FALLAS (MTBF),

REDUNDANCIA, PLANTA DE GENERACIÓN>, < CHASIS>, <YURALPA BLOQUE 21>,

<TENA (CANTÓN)>, <NAPO (PROVINCIA)>.

xviii

SUMARY

Analysis and proposal for improving reliability of the control platform PLC (Programmable

Logic Controller) ControlLogix 5000 of the power plant Wartsila Vasa 32 located in Yuralpa

Block 21, in the city of Tena Napo province; the current conditions of the system are obtained,

verifying that the reliability is low and needs to be updated to maintain the power generation

plant in optimum operating condition. The physical architecture of the system PLC, is turned

into reliability diagrams RBD (Reliability Block Diagrams), and starts from cards in each rack

and solving diagrams to reach the overall reliability of the system. To implement the RBD

diagrams is necessary to take each rack from the system to serial parallel blocks and it is solved

by applying characteristics equations. Hot stand by redundancy equations are applied to solve

the RBD CFA901 PLC and the parallel configuration k-out-of-n resulting from the operational

necessity for the operation of the generating units at the plant. The PLC systems are robust and

do not have many flaws, therefore, the MTBF (Mean Time Between Failures), whose data are

used to calculate the reliability of each component. According to the evaluation of the control

platform PLC at 13 years of operation, it is concluded as a result that the reliability of

0.317288834 is low, since through the probabilistic model is evident that in any component

decreases over time, even though it has not failed during the study period; therefore it is

recommended to change the obsolete items and 1794-IRT8 rack cards CFE0_1 FLEX I/O A2 of

the entire control platform; and in these conditions the reliability of the total system is

calculated at 14 years of operating, checking improving system reliability to 0.713425971.

Key words: <PLATFORM CONTROL>, <PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER

(PLC)>, <RELIABILITY>, <RELIABILITY BLOCK DIAGRAM (RBD)>, <MEAN TIME

BETWEEN FAILURES (MTBF)>, <REDUNDANCY>, <GENERATION PLANT>,

<CHASSIS>, <YURALPA BLOCK 21>, <TENA (CANTON)>, <NAPO (PROVINCE)>.

.

1

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se encuentra realizado en base a la investigación realizada en la planta de

generación Wartsila Vasa 32 ubicada en el Bloque 21, en donde la existencia de un problema

inadvertido se ha dispuesto siendo que el sistema de PLC ControlLogix ha tenido 13 años de

funcionamiento continuo y en la planta resulta primordial su trabajo en las operaciones de la

planta de generación, por lo cual se ha considerado calcular la confiabilidad para conocer el

estado en el que se encuentra actualmente de tal manera que sea posible sustentar las decisiones

de actualización de la plataforma de PLC y justificar el proceso de implementación de mejora

de la confiabilidad.

La investigación presentada es realizada utilizando datos reales, plasmando de esta manera un

trabajo íntegro y completo el mismo que mantiene en su contenido:

Capítulo I: El problema de investigación, se encuentra el planteamiento, formulación y

sistematización del problema, la justificación, los objetivos e hipótesis.

Capítulo II: El marco de referencia presenta las respectivas definiciones, conceptos y el estado

del arte de la investigación.

Capítulo III: El diseño de la investigación despliega todo aquello referente a la metodología, así

como las técnicas e instrumentos de investigación.

Capítulo IV: Resultados y discusión, en el cual se indica el diagnóstico y el producto final del

proyecto de investigación que presenta el procedimiento, la evaluación preliminar y el análisis

de resultados

Capítulo V: Propuesta, en donde se establece los reemplazos de los ítems obsoletos del sistema

y se presenta además cambiar los ítems obsoletos y los que introducen baja confiabilidad al

sistema.

Finalmente, se presenta las conclusiones y recomendaciones emitidas por el autor, así como

también la bibliografía y los anexos.

2

CAPÍTULO I

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 Planteamiento del problema

La planta de generación en el Bloque 21 se encuentra equipada con cuatro motores Wartsila

VASA 32 modelo 12V32LN, los cuales utilizan como combustible el petróleo de 17 grados

API.

La capacidad instalada de la planta de generación es de 16 MW, pero actualmente se generan 7

MW. Las cargas más grandes de consumo se encuentran constituidas por dos bombas de re-

inyección de agua de producción de 1.3 MW cada una.

Cuenta además con una bomba de exportación de crudo hacia el oleoducto de 1 MW y

variadores de velocidad de 42 pozos productores de petróleo. En la actualidad, el bloque 21

produce 7.000 barriles de petróleo y 52.000 barriles de agua.

El sistema de automatización y control de la planta está construido con PLC Allen Bradley

ControlLogix 5000; así mismo, la planta de generación se encuentra en funcionamiento desde el

año 2003, por tanto, la plataforma de control PLC ControlLogix 5000 tiene 13 años de

funcionamiento continuo y por el periodo de uso es imperioso analizar y conocer la condición

real de este sistema de control.

Por tal razón es necesario establecer la confiabilidad de la plataforma y dependiendo del

resultado, tomar la decisión de continuar con su funcionamiento en las actuales condiciones o

realizar la actualización de las nuevas versiones en hardware y software.

La plataforma de control PLC ControlLogix es de costo elevado, actualizarlo a las nuevas

versiones tiene un precio estimado de $500.000.00 USD (Quinientos mil dólares americanos)

resultando un gasto excesivo.

3

Por lo cual es imprescindible conocer la confiabilidad del sistema y evaluar si es posible seguir

en funcionamiento en las actuales condiciones para evitar realizar un gasto innecesario.

1.2 Formulación del problema

¿La disminución de la confiabilidad en función del tiempo de las tarjetas del sistema de control

de la planta de generación eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa Bloque 21 implementado con

PLC Allen Bradley ControlLogix 5000 es lo que provoca incertidumbre sobre los posibles

Shutdown (paros de emergencia) de las unidades VASA 32 modelo 12V32LN?

1.3 Sistematización del problema

¿Es el grado de obsolescencia de las tarjetas del sistema de control PLC ControlLogix

5000 de la planta de generación eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa Bloque 21 lo que

ocasiona la baja confiabilidad del sistema?

¿La inexistencia de un Modelo Probabilístico de Confiabilidad del sistema de control

PLC induce a un desconocimiento de la confiabilidad en el proceso de generación

eléctrica?

¿Sin identificar las actuales condiciones de los componentes críticos del sistema de

control PLC es imposible realizar una planificación apropiada en el mantenimiento de

las unidades VASA 32 modelo 12V32LN y evitar posibles Shutdown (paros de

emergencia)?

1.4 Justificación de la investigación

La planta de generación Wartsila VASA32 de Yuralpa Bloque 21 alimenta de energía eléctrica a

la planta de procesos YPF, seis islas de producción de petróleo, bodegas y campamentos.

4

El sistema de control de la planta de generación implementado con PLC Allen Bradley

ControlLogix 5000 es de vital importancia porque controla: las condiciones y la secuencia de

arranque de los generadores, las condiciones y secuencia de sincronización con la barra

principal, el modo de operación isla de los generadores, las condiciones y secuencia de apagado,

la automática reducción de carga de cada generador en caso de que las condiciones de

temperatura de aire de carga y del agua de enfriamiento no sean las correctas, el control de la

potencia activa y reactiva, las variables de proceso y las señales de disparo que provocan un

apagado de cada generador, las variables del proceso y las señales de disparo que provocan un

apagado total de la planta de generación, la compartición automática de carga en caso de que

algún generador se detenga por algún desperfecto, el monitoreo de las variables del Switchgear

de 13.8 KV, el control del MCC (Centro de Control de Motores), la generación de alarmas de

las variables y la toma decisiones de control.

Para el análisis de la confiabilidad, se deberá obtener las confiabilidades de cada uno de los

componentes que conforman la plataforma de PLC ControlLogix; luego, utilizando la

metodología RBD (Reliability Block Diagrams) se obtendrá la confiabilidad del PLC de cada

generador, para posteriormente realizar el análisis de toda la plataforma.

El análisis hace uso de metodología específica para diagnosticar la condición actual de

confiabilidad y así establecer el tiempo que puede operar la planta de generación en las actuales

condiciones y proponer una alternativa de mejora.

Por lo tanto, el sistema de PLC ControlLogix es crucial para las operaciones de la planta de

generación, por lo que resulta transcendental calcular la confiabilidad para conocer el estado

actual que sustente las decisiones de actualización de la plataforma de PLC y de esta manera

justificar el proceso de implementación de mejora de la confiabilidad.

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivo General

Evaluar la confiabilidad de la plataforma de control PLC ControlLogix 5000 de la

planta de generación eléctrica Wartsila VASA 32 modelo 12V32LN ubicada en Yuralpa

Bloque 21, durante el primer semestre del 2015.

5

1.5.2 Objetivos Específicos

Analizar el grado de obsolescencia de las tarjetas del sistema de control PLC

ControlLogix 5000 de la planta de generación eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa

Bloque 21.

Identificar las actuales condiciones de los componentes críticos del sistema de control

PLC, para realizar una planificación apropiada en el mantenimiento de las unidades

VASA 32 modelo 12V32LN.

Proponer un Modelo Probabilístico de Confiabilidad del sistema de control PLC, para

calcular la confiabilidad de la plataforma de control PLC ControlLogix 5000 de la

planta de generación eléctrica de Yuralpa Bloque 21.

Establecer la mejora de la confiabilidad de la plataforma de control PLC ControlLogix

5000 de la planta de generación eléctrica de Yuralpa Bloque 21.

1.6 Hipótesis

El análisis de confiabilidad permite identificar las áreas potenciales de fallo y predecir el

número de paradas no programadas en el tiempo para planificar el mantenimiento preventivo

del sistema PLC.

6

CAPÍTULO II

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 Definiciones y conceptos

2.1.1 Definiciones

Arquitectura.- Disposición de elementos se software y/o hardware en un sistema.

Backplane.- Proporciona datos, controla y direcciona las señales de datos en el bus de

comunicaciones, varias tarjetas pueden ser conectadas en el bus para configurar el sistema como

se requiera. Para el caso de los PLC los términos backplate, rack y chasis se los usa como

iguales e indistintamente.

Canal.- Elemento o grupo de elementos que llevan a cabo una función de forma independiente.

Controlador.- Es el cerebro de todo el PLC, generalmente consta de un chip de memoria y otros

circuitos integrados para el control de la lógica y las comunicaciones.

Determinístico.- La capacidad de pronosticar cuándo se entregará información importante en las

aplicaciones que tienen tiempo más crítico.

Dispositivo.- Unidad funcional de hardware o software o ambos, capaces de lograr un fin

específico (en este documento también se lo conoce como ítem, componente, tarjeta, modulo).

Escalable.- Facilita la expansión del sistema a medida que cambian las necesidades.

E/S.- Módulos de entradas y salidas (en inglés inputs/outputs I/O).

Error.- Discrepancia entre un valor calculado, observado, medido o condición del verdadero,

especificado o teóricamente correcto o condición.

Falla oculta.- Falla que no es evidente para el operador durante el funcionamiento normal.

Gateway.- Un módulo o conjunto de módulos que permiten las comunicaciones entre nodos en

redes diferentes.

HMI.- Interface hombre máquina (del inglés human machine interface).

Ítem.- Cualquier pieza, componente, dispositivo, subsistema, unidad, equipo o sistema funcional

que puede ser individualmente considerado.

Inspección.- Actividad llevada a cabo periódicamente y se utiliza para evaluar el progreso de los

daños en un componente.

7

Mantenimiento.- Asegurar que todo activo continúe desempeñando las funciones deseadas.

MTBF.- Tiempo medio entre fallas (en inglés Mean Time Between Failures).

Modulo.- Ensamblaje autónomo de componentes de hardware que realiza una función

específica (por ejemplo módulos de entradas y salidas digitales).

Rack.- Una colección física y lógica de módulos de aplicación que comparten una fuente de

alimentación eléctrica y backplane comunes para la comunicación entre módulos.

RPI.- Es la frecuencia más baja a la que un módulo multi difunde los datos al controlador

propietario, el tiempo oscila entre 200 a 750 ms.

Plataforma.- Un sistema que sirve como base para hacer funcionar determinados módulos de

hardware o de software con los que es compatible. Los tipos de arquitectura, sistema operativo,

lenguaje de programación o interfaz de usuario compatibles, definen una plataforma.

PLC.- Controlador lógico programable (en inglés Programmable Logic Controller).

Riesgo inherente.- Es el riesgo que existe debido a la naturaleza del proceso, incluyendo el

equipo y sustancia presentes.

Riesgo tolerable.- Es el riesgo que se acepta en un determinado contexto de acuerdo con los

valores actuales de la sociedad.

Hardware.- Es el conjunto de componentes que forman la parte física de una computadora o

sistema con procesadores.

Software.- Son los componentes lógicos intangibles de una computadora o sistema con

procesadores.

Rack optimizado.- Una conexión de rack optimizado economiza el ancho de banda entre los

controladores propietarios y los módulos de E/S digitales en el chasis remoto. En vez de tener

varias conexiones directas con valores de RPI individuales, un controlador propietario tiene una

única conexión de rack con un único valor de RPI.

RPI.- Ese valor de RPI se adapta a todos los módulos de E/S digitales del chasis remoto.

(Publicación de Rockwell Automation 1756-UM058G-ES-P - Noviembre 2012).

Redundancia.- Uso de múltiples elementos o sistemas para realizar la misma función; la

redundancia puede ser implementada por elementos idénticos o por elementos diferentes.

RsLogix5000.- Software de programación para PLC de la familia Logix

RsLinx.- Es un software que ofrece servicios de comunicación para redes y todos los productos

de Rockwell Automation.

RBD.- Diagrama de bloques de confiabilidad (en inglés Reliability Block Diagram).

Señales discretas.- Son las señales que tienen dos estados, verdadero o falso.

Sistema de control.- Sistema que responde a las señales del proceso y/o desde un operador y

genera señales de salida haciendo que el proceso se pueda operar de la manera deseada.

8

Sistema.- Conjunto de elementos, los cuales interactúan de acuerdo a un diseño; un elemento de

un sistema puede ser otro sistema, llamado subsistema, el cual puede ser un sistema de control o

un sistema controlado y puede incluir hardware, software y la interacción humana.

Sil.- Nivel de integridad de seguridad (en inglés safety integrity level).

Slot.- El número de ranura del módulo de E/S en su chasis o riel DIN.

Scada.- Acrónimo de Supervisory Control and Data Adquisition (sistema de control y

adquisición de datos).

Tasa de falla.- Número de fallas de un ítem en un intervalo de tiempo determinado, dividido

para el intervalo de tiempo.

Tolerancia a fallos.- Habilidad de una unidad funcional de seguir realizando una función

requerida en presencia de fallos o errores.

2.1.2 Conceptos

2.1.2.1 PLC Controlador Lógico Programable

Definiciones

Un PLC (En inglés Programable Logic Controller) o autómata programable según la definición

del estándar internacional IEC 61131 que normaliza las características fundamentales de los

mismos tanto en su parte de hardware como de software, es una máquina electrónica

programable capaz de ejecutar un programa, o sea, un conjunto de instrucciones organizadas de

una forma adecuada para solventar un problema dado, y diseñada para trabajar en un entorno

industrial y por tanto hostil.

Las instrucciones disponibles para crear programas serán de una naturaleza tal que permitirán

controlar procesos, por ejemplo: funciones lógicas, operaciones aritméticas, de contaje de

eventos, de temporización, etc. Además, el PLC estará diseñado de forma tal que la conexión

del mismo con el proceso a controlar será rápida y sencilla por medio de entradas y salidas de

tipo digital o analógico. (Martín, 2006)

9

Los PLC por su construcción son compactos y modulares, en la actualidad todos los PLC están

orientados a redes de comunicación y pueden funcionar solos o ser parte de una red distribuida

de control. (Rockwell Software, 2015)

En la industria del petróleo del país es común encontrar PLC Allen Bradley con los cuales se

controlan las plantas de generación eléctrica, el proceso de producción y exportación de

petróleo.

Figura 1-2 Arquitectura varios PLC conectados en red

Fuente: Rockwell Software (2015)

Arquitectura Logix

La arquitectura integrada Logix proporciona una única arquitectura de control común para

aplicaciones por lotes (en inglés batch), proceso, movimiento, variadores y de control discreto.

La arquitectura integrada Logix proporciona un motor de control común, software de

programación y soporte de comunicaciones para múltiples plataformas de hardware.

Todos los controladores Logix operan en multitarea, tienen sistema operativo multiproceso y

soportan el mismo set de instrucciones en múltiplos lenguajes de operación. El software de

programación RSlogix 5000 sirve para programar todos los controladores de la familia Logix.

Otra característica importante es que todos los controladores Logix incorporan la arquitectura

NetLinx para comunicación vía redes EtherNet/IP, ControlNet, and DeviceNet. (Publication

1756-QR107C-EN-P Logix 5000 Controllers, 2005)

10

Figura 2-2 Arquitectura NetLinx (a)

Fuente: Publication 1756-QR107C-EN-P Logix 5000 Controllers (Junio 2005)

ControlLogix 5000.-

El controlador ControlLogix proporciona una solución escalable de control, es capaz de manejar

gran cantidad de puntos de entradas y salidas E/S (en inglés I/O input/output).

El controlador ControlLogix se puede colocar en cualquier slot (en español ranura) de un rack

(en español chasis) y múltiples controladores pueden ser instalados en el mismo rack.

Los controladores ControlLogix monitorean y controlan las E/S a través del backplane, así

como también a través de enlaces de red.

Existen tres tipos de controladores ControlLogix en el mercado, ellos son:

1. ControlLogix estándar

2. ControlLogix para ambientes extremos

3. GuardLogix

1. Controladores ControlLogix Estándar.- Hay dos líneas de controladores estándar cuyos

números genéricos de catálogo son los siguientes: 1756-L6x y 1756-L7x.

11

Los controladores ControlLogix de las dos líneas tienen algunas diferencias y similitudes, en la

siguiente tabla se detalla lo citado. (Publicación de Rockwell Automation 1756-um0010-ES-P

Sistema ControlLogix, 2014)

Tabla 1-2 Diferencias y similitudes de los controladores 1756-L6x y 1756-L7x

Fuente: Publicación de Rockwell Automation 1756-um0010-ES-P Sistema ControlLogix (Octubre 2014)

Figura 3-2 Chasis 1756-A7, fuente de alimentación y módulos ControlLogix

Fuente: Planta de generación eléctrica Wartsila Vasa 32

2. Controladores ControlLogix para Ambientes Extremos.- Los controladores para

ambientes externos soportan temperaturas de trabajo en el rango de -25…70 °C (-13…158 °F),

al igual que los controladores estándar hay dos líneas de controladores para ambientes externos

cuyos números de catálogo son los siguientes: 1756-L63XT y 1756-L73XT y tienen la misma

funcionalidad de sus pares estándar 1756-L63 y 1756-L73 (Publicación 1756-UM001O-ES-P

Sistema ControlLogix, 2014).

12

Los componentes de los ControlLogix XT incluyen componentes de control y comunicaciones

recubiertas para protección en ambientes corrosivos severos.

3. Controladores GuardLogix.- Los controladores GuardLogix son utilizados en sistemas de

seguridad, el sistema GuardLogix es una solución dual de control, se debe usar un 1756-

L6xS/1756-L7xS como controlador primario y un 1756-LSP/1756-L7SP como controlador de

seguridad para alcanzar un SIL 3 (safety Integrity Level)

ControlLogix Conexiones.-

El sistema ControlLogix utiliza conexiones para establecer enlaces de comunicación entre

dispositivos, los tipos de conexiones son los siguientes:

1. Controlador a módulos E/S locales (E/S ubicados en el mismo chasis que el controlador) o

módulos de comunicación locales.

2. Controlador a módulos de E/S remotos (E/S ubicados en un chasis diferente al del

controlador) o módulos de comunicación remotos.

3. Controlador a módulos de E/S remotos (rack optimizado).

4. Tags producidos y consumidos.

5. Mensajes.

6. Acceso a través del software de programación RSLogix 5000 al controlador ControlLogix.

7. Acceso a través del software RSlinx para el HMI u otras aplicaciones.

Con el software de programación RSLogix 5000 se configura el controlador ControlLogix e

indirectamente se determina el número de conexiones que el controlador usa para comunicarse

con otros dispositivos dentro del sistema.

Prácticamente el límite de conexiones depende del módulo de comunicación que se usa para la

conexión.

Los controladores 1756-L6x y 1756-L6xS soportan 250 conexiones, los controladores 1756-L7x

y 1756-L7xS soportan 500 conexiones. Para conocer el total de conexiones con el controlador

hay que usar la siguiente tabla considerando las conexiones de las E/S locales y remotas.

(Publication 1756-TD001I-EN-P ControlLogix Controllers, 2015)

13

Tabla 2-2 Conexiones locales

Fuente: Publication 1756-TD001I-EN-P ControlLogix Controllers (August 2015)

Módulos de E/S Locales.-

Los módulos de E/S son los que se encuentran instalados en el mismo chasis que el controlador,

el número está limitado por la capacidad de ranuras (en inglés slots) del chasis. (Publicación

1756-UM001O-ES-P ControlLogix Controllers, 2014)

Tabla 3-2 Chasis ControlLogix y ranuras (slots) existentes

Fuente: Publicación 1756-UM001O-ES-P ControlLogix Controllers (Octubre 2014)

14

Figura 4-2 Chasis1756-A10 y fuente de alimentación

Fuente: Publication 1756-TD006E-EN-E ControlLogix Chassis Specifications (October 2014)

Los tipos de E/S disponibles son los siguientes:

1. E/S analógicas

2. Medidor de flujo configurable

3. E/s digital

4. E/S analógicas HART

5. E/S analógicas de alta velocidad

6. Contador de alta velocidad

7. Contador de baja velocidad

8. Interruptor de final de carrera programable

Módulos de E/S Remotos.-

Los módulos de E/S remotos son los que no se encuentran instalados en el mismo chasis que el

controlador, se conectan al controlador por medio de redes de comunicación.

Las redes de comunicación más utilizadas en el medio son:

- EtherNet/IP

- ControlNet

- DeviceNet

15

Figura 5-2 Controlador ControlLogix y E/S remotas

Fuente: Publicación 1756-UM001O-ES-P ControlLogix Controllers (Octubre 2014)

Las E/S remotas pueden estar en un chasis ControlLogix estándar unidas al chasis principal por

redes de comunicación o también pueden ser E/S distribuidas, siendo los módulos 1794 FLEX

I/O los más usados para procesos.

Figura 6-2 Controlador ControlLogix y E/S remotas con módulos FLEX I/O 174

Fuente: Publicación 1794-RM001G-EN-P (Diciembre 2011)

Redes de Comunicación Arquitectura NetLinx

La plataforma Logix utiliza la arquitectura de red abierta Netlinx para EtherNet, ControlNet y

DeviceNet. Con Netlinx se tiene acceso a la información de la planta en cualquier momento y

desde cualquier lugar.

16

Figura 7-2 Arquitectura NetLinx


Por medio de la arquitectura Netlinx se integra todos los dispositivos de cualquier proceso

industrial, del grafico se infieren las siguientes características:

1. Los dispositivos que se encuentran en las redes EtherNet, ControlNet y DeviceNet pueden

comunicarse entre ellos.

2. Desde cualquier computador de estación de trabajo se pueden configurar y monitorear

todos los dispositivos.

3. Con las herramientas adecuadas y desde cualquier punto de las redes se puede realizar

configuraciones y monitoreo puntual de cualquier dispositivo.

Red Ethernet.-

Ethernet es una tecnología de red de área local (LAN) que transmite información entre

computadores a una velocidad de 10 Mbps (Velocidad estándar Ethernet), 100 Mbps red

conocida como Fast Ethernet, y 1000 Mbps llamado Gigabit Ethernet.

17

La red Ethernet es una red abierta, no propietaria, y es ampliamente utilizada en la industria, el

estándar está de acuerdo al modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection).

En la industria el Ethernet se utiliza para aplicaciones de información y aplicaciones de control,

siendo los requerimientos de uso distintos.

1. Ethernet para Aplicaciones de Información.- Se utiliza para las actividades no críticas del

sistema de control, por ejemplo, descarga del programa de PLC, monitoreo de variables de un

proceso, revisión de estatus, procesar datos, y diagnóstico de módulos de control.

2. Ethernet IP (Industrial Protocolo) para Aplicaciones de Control.- Se utiliza en

actividades de control, donde la velocidad, el rendimiento, el tiempo de respuesta, la

disponibilidad y el tiempo de paro son críticos para el control de una planta industrial.

Figura 8-2 Red Ethernet con PLC ControlLogix

Fuente: Publicación 1756-UM051B-ES-P Módulo de interface de comunicación Ethernet ControlLogix. (Noviembre 2000)

En definitiva, el Ethernet IP es un sistema abierto, ofrece interoperatibilidad entre productos de

diferentes fabricantes, permite configurar, concentrar y controlar dispositivos industriales.

18

Figura 9-2 EtherNet/IP (Protocolo industrial)


Actualmente con el Ethernet IP se consigue:

1. Control de E/S sobre Ethernet

2. Seguridad (interlock) sobre Ethernet

3. Comunicación con chasis remotos sobre Ethernet

Red ControlNet.-

La red ControlNet es una red abierta, ofrece interoperatibilidad con productos de otras marcas,

alta velocidad en transmisión de datos, link de alta velocidad entre el controlador y las E/S, la

red es determinística y usada para transmitir información en tiempo crítico.

La red ControlNet permite tener control en tiempo real y servicio de mensajes punto a punto

(peer to peer). A la red ControlNet se puede conectar una variedad de dispositivos y de

diferentes fabricantes por el hecho de ser una red abierta, por ejemplo, controladores, variadores

de velocidad, computadores, módulos de E/S, y cualquier dispositivo con conexión ControlNet.

19

Tabla 4-2 Características del módulo 1756- CNET ControlNet

Tasa Longitud del cable Máximo número de nodos

Transmisión: 5 Mbps

Tiempo de actualización

de red: 2-100ms

1000m (3.280 ft) con 2

dispositivos conectados.

250m (820 ft) con un máximo

de 48 dispositivos conectados y

con la longitud del cable

derivado del dispositivo de 1m

(3 ft).

Máxima distancia con

repetidores 6 Km

99

Fuente: Publicación 1756-SG001A-US-P ControlLogix (Julio 2000)

Figura 10-2 Características ControlNet


Red DeviceNet.-

DeviceNet al igual que ControlNet es una red abierta, se comunica con cualquier dispositivo

DevicelNet de cualquier fabricante, la red es usada especialmente para comunicarse con

20

dispositivos de campo (bajo nivel) tales como sensores y actuadores, pero también se usa para

comunicarse con dispositivos de alto nivel como por ejemplo los Controladores.

Tabla 5-2 Características del módulo 1756- DNET DeviceNet

Tasa Longitud cable

principal

Longitud

acumulada de

cable devidado

Máxima

longitud cable

derivado

Máximo número

de nodos

125 Kbps 500m (1.640 ft) 125m(512 ft) 6m (20 ft) 64

250 Kbps 250m (820 ft) 78m (256 ft) 6m (20 ft) 64

500 Kbps 100m (328 ft) 39m (128 ft) 6m (20 ft) 64

Fuente: Publicación 1756-SG001A-US-P ControlLogix (Julio 2000)

Según la tabla la velocidad de transmisión de datos es inversamente proporcional a la longitud

del trunck, es decir a mayor velocidad de transmisión menor longitud de red y viceversa.

Figura 11-2 Características DeviceNet

Fuente: Rockwell Software 2015

Tipos y Tamaños de PLC

Generalmente se fabrican tres gamas de PLC para ser utilizados a las necesidades específicas de

la industria.

21

Sistemas de Control Grandes.-

Los PLC grandes se adaptan para aplicaciones de control exigente y cuyas características son

las siguientes:

1. Son de arquitectura modular

2. Tienen múltiples opciones de E/S (entradas salidas)

3. Tienen una gama amplia de opciones de red.

Los PLC grandes proporcionan capacidades de control para todas las disciplinas, va desde

procesos, seguridad, y movimiento.

Diseñados para control distribuido o de supervisión, son de alto rendimiento y confiabilidad.

Existe una estrecha relación entre el software de programación RSLogix 5000 (actualmente

Estudio 5000 para las nuevas versiones L7), el controlador ControlLogix y las E/S reduciendo el

costo y tiempo en el desarrollo, puesta en marcha y durante el funcionamiento normal de

aplicaciones.

Los modelos de PLC que pertenecen a este grupo son:

1. ControlLogix Control System.

2. GuardLogix Integrated Safety System GuardLogix

3. PLC-5 Controllers

4. SoftLogix Control System

Sistemas de Control Pequeños.-

La gama de PLC pequeños es utilizado para aplicaciones de medio rango, son de diseño

compacto y modulares, tienen características y flexibilidad similares a los PLC grandes, existen

modelos estándar y de seguridad, generalmente se utiliza para control local de una máquina,

aplicaciones batch (por lotes), y automatización de edificios. Los modelos de PLC que

pertenecen a este grupo son:

1. Compact GuardLogix Safety Controllers

22

2. CompactLogix Control Systems

3. SLC 500 Controllers

4. SmartGuard 600 Safety Controllers with Safety

Sistemas de Control Micro & Nano.-

Estos PLC proveen soluciones de bajo costo para equipos que requieren funciones de control

básicas, son compactos, y tienen integrados las E/S y las comunicaciones, son fáciles de usar y

son ideales para aplicaciones de control pequeñas.

Los modelos de PLC que pertenecen a este grupo son:

1. Micro800 Control Systems

2. MicroLogix Systems

3. Pico System

PLC Redundantes.-

El sistema de redundancia ControlLogix usa un idéntico par de chasis para mantener

funcionando la maquinaria o proceso si un problema ocurre con un controlador, en caso de que

falle el controlador del chasis primario el controlador del chasis secundario toma el control.

Las parejas de chasis redundantes están sincronizadas por los módulos de redundancia 1757-

SRM (se utiliza también los módulos 1756-RM2/A, 1756-RM2XT, 1756-RM, 1756-RMXT

para las versiones igual o superiores a 16.057), hay un módulo redundante en cada chasis, el par

de módulos redundantes están continuamente comunicándose entre sí.

Las parejas de chasis redundantes tienen los mismos componentes idénticos, para que funcione

el sistema se requiere al menos un módulo de redundancia y una tarjeta de comunicación

ControlNet o EtherNet IP en cada chasis.

23

Figura 12-2 Redundancia ControlNet

Fuente: Publicación 1756-UM535D-ES-P Sistema de redundancia con características mejoradas ControlLogix (Noviembre 2012)

En el ejemplo las tarjetas utilizadas en los chasis redundantes son:

Tabla 6-2 Chasis redundantes (a)

Ítem Catálogo Descripción Slot

1 1756-L75 Controlador ControlLogix 0

2 1756-RM2 Módulo redundante 1

3 1756-EN2TR Módulo de comunicación Ethernet IP 2

4 1756-CN2R Módulo de comunicación ControlNet 3

Realizado por: Marco Cunachi

24

Figura 13-2 Redundancia EtherNet IP

Fuente: Publicación 1756-UM535D-ES-P Sistema de redundancia con características mejoradas ControlLogix (Noviembre 2012)

En el ejemplo las tarjetas utilizadas en los chasis redundantes son:

Tabla 7-2 Chasis redundantes (b)

Ítem Catálogo Descripción Slot

1 1756-L75 Controlador ControlLogix 0

2 1756-RM2 Módulo redundante 1



5 1756-EN2T Módulo de comunicación Ethernet IP 4




25

1. Switchover.- El termino switchover se utiliza cuando hay la transferencia de control desde el

controlador primario al controlador secundario, después del switchover el controlador que toma

el control es el primario y el otro viene a ser el secundario (antes del switchover era el

primario).

El switchover se produce por cualquiera de las siguientes situaciones:

1. Pérdida de energía eléctrica.

2. Falla mayor del controlador.

3. Fallo de la tarjeta ControlNet o de la tarjeta EtherNet según sea el caso de redundancia.

4. Fallo de la tarjeta de Redundancia 1757-SRM.

5. Desconexión o rotura de la red ControlNet o EtherNet.

6. Retiro o inserción de un módulo en cualquier chasis.

7. Comando desde el Sotware RSLinx.

2. Sincronización.- Cuando se pone en marcha un sistema redundante primero se produce la

sincronización en donde el modulo redundante 1756-SRM comprueba que las tarjetas instaladas

en los dos chasis sean compatibles entre sí, luego carga el contenido del programa y actualiza

valores de variables, valores forzados, ediciones en línea, o cualquier otra información del

controlador primario al secundario, a este proceso se le conoce como crossload y se repite cada

vez que el controlador primario ejecuta la lógica de programa.

Cuando falla el controlador primario el controlador secundario toma el control siempre y

cuando tenga cargado el mismo programa que el primario, y que los valores E/S y de memorias

internas estén actualizadas, al proceso de pasar la información del controlador primario al

secundario se lo conoce como crossload.

Cuando el controlador ControlLogix muestra en la pantalla el estatus disqualified quiere decir

que el controlador secundario ha fallado la sincronización con el primario y no es capaz de

tomar control del proceso.

Figura 14-2 Crossload desde el controlador primario al secundario

Fuente: Publicación 1756-UM523C-EN-P ControlLogix Redundancy System (Junio 2003)

26

3. Tipos de Redundancia.- Los fallos y fallas de los componentes críticos reducen los tiempos

de funcionamiento de máquinas y plantas de producción, a menudo resulta en daños emergente

y reparaciones prolongadas, en este sentido se incurre en altos costos de mantenimiento y el

tiempo de inactividad de las maquinas provocan perdidas económicas.

La redundancia de equipos electrónicos de control aumenta la disponibilidad de las máquinas,

reduciendo los tiempos de parada y optimiza la productividad y confiabilidad.

La combinación del hardware, la arquitectura, y la programación de la aplicación de los PLC

garantizan la robustez del sistema de control, obteniéndose alta confiabilidad. La redundancia

no solo garantiza la tolerancia a un fallo sino también dependiendo del caso puede garantizar la

tolerancia de múltiples fallos. La redundancia de procesadores de PLC más comúnmente usados

son los siguientes:

- Redundancia Hot standby

- Redundancia Warm standby

La diferencia entre los dos métodos es el comportamiento durante la conmutación de los

procesadores cuando se produce una falla, aquí se maneja dos parámetros, el tiempo requerido

para el cambio y el impacto de la conmutación sobre el control.

Redundancia Hot Standby.- Este tipo de redundancia es aplicable para sistemas críticos, donde

el sistema no tolera cortes cortos de control.

En Hot Standby el procesador secundario trabaja sincronizado con el procesador primario, la

sincronización actualiza los valores de entrada y salida del secundario a través del mismo

programa de aplicación.

Auto-monitoreo y mecanismos de vigilancia externa integrados al controlador garantiza la

rápida reacción a desviaciones de la operación prevista, variables relevantes del proceso y

estatus interno están comparadas cíclicamente entre los controladores.

En el hot standby el switchover es sin impacto sobre el control maximizando la confiabilidad y

disponibilidad del sistema, por tanto, está bien adaptado para el control y monitoreo crítico.

27

Figura 15-2 PLC ControlLogix redundantes sincronizados

Fuente: Planta de generación eléctrica Wartsila Vasa 32

Estatus del módulo 1756-RM en el Rack 00 indica PRIM y el estatus del módulo 1756-RM en

el Rack 01 indica SYNC.

Redundancia Warm Standby.- Los sistemas redundantes Warm Standby se caracterizan por el

hecho de que el controlador secundario está activo en paralelo con el controlador primario, en el

caso ideal recibe y procesa todos los datos de los equipos conectados.

Mecanismos de auto-monitoreo permiten la detección automática de fallos, esto da lugar a la

conmutación autónoma de los controladores (se puede prescindir de un disparador externo).

A pesar de la lectura paralela y el procesamiento de información del estatus de los datos de

entrada, los valores medidos y el estatus entre los dos controladores no están sincronizados.

La autonomía de los controladores primario y secundario es una característica del Warm

Standby, en estas condiciones solo es posible un switchover duro (directo, sin sincronismo) y de

corta duración, este tipo de Standby solo se debe utilizar en sistemas que aceptan la perdida de

procesamiento y una conmutación fuerte de los controladores, por ejemplo es conveniente

utilizar en aplicaciones que solamente tengan acceso de lectura, por tanto es una solución

rentable y confiable para sistemas de alarma y monitoreo, no se debe usar en sistemas de control

críticos.

28

Figura 16-2 PLC Redundantes sin la opción de sincronismo

Fuente: Bachmann electronic GmbH. (2015)

Redundancia de Red.-

Redundancia de red = redundancia de comunicaciones + redundancia del medio.

Frecuentemente el mal funcionamiento se puede atribuir a los datos de los cañales de

transmisión alterados o defectuosos, en este caso el remedio es el uso redundancia en la

comunicación o en la media.

El principio básico de redundancia en comunicación es la transmisión de información dos o más

veces. Si esto ocurre de manera secuencial a través de la misma línea de transmisión (media), se

reduce el ancho de banda efectivo (bandwidth), así como puede ocurrir una falla completa en el

caso de problemas de conexión.

Cuando se utiliza la redundancia de medios se duplica el canal de conexión física, si en la red si

se implementan el doble canal de conexión física (rutas de cableado), el riesgo de fracaso total

debido a un solo evento está prácticamente eliminada.

Solo a través de la aplicación simultánea de ambas tecnologías se logra la mejor disponibilidad,

la combinación de redundancia de comunicaciones y redundancia de medios se resume como la

redundancia de red.

29

Figura 17-2 Red redundante

Fuente: Bachmann electronic GmbH. (2015)

2.1.2.2 Confiabilidad

Definiciones

Confiabilidad.-

La capacidad de un equipo o sistema de realizar una función requerida sin fallo bajo

condiciones establecidas para un periodo de tiempo determinado. (Reliability: A Practitioner´s

Guide. 2003). La probabilidad que un ítem pueda realizar una función requerida bajo ciertas

condiciones para un intervalo de tiempo dado, (t1, t2). (Cabau, E. 2000).

Failure (Fallo).-

El fallo del sistema puede, ser definido como un suceso cuya realización provoca, o bien la

pérdida de capacidad para realizar las funciones requeridas, o bien la pérdida de capacidad para

satisfacer los requisitos especificados.

Independientemente de las razones de su aparición, un fallo causará la transición del sistema

desde su estado satisfactorio a un nuevo estado insatisfactorio, conocido como estado de fallo,

SoFa (State of Failure). (Knezevic, 1996).

30

Por tanto, desde el punto de vista de la capacidad para satisfacer las «necesidades» de acuerdo

con las especificaciones establecidas, todos los sistemas creados por el hombre pueden

pertenecer a uno de los dos posibles estados:

• Estado de Funcionamiento, SoFu (State of Functioning).

• Estado de Fallo, SoFa (State of Failure).

Figura 18-2 Tipos de fallos

Fuente: Sexto_Ingenieria-Fiabilidad-Master_ESPOCH__v1.pdf (2015)

Según el gráfico, una ocurrencia de un fallo (failure) es un evento, y el ítem pasa al estado de

avería (fault). Para ítems no reparables: Es la terminación de la capacidad de un elemento para

realizar una función requerida.

Avería.-

Es la incapacidad de un ítem para realizar la función requerida debido a un estado interno. “La

avería de un elemento es el resultado de un fallo, bien del elemento mismo o de cualquier etapa

precedente del ciclo de vida (especificación, diseño, fabricación o mantenimiento, por

ejemplo)”. (Asociación española para la calidad AEC, 2016).

31

Magnitudes en Función del Tiempo

Figura 19-2 Diagrama de tiempos medios de un sistema que no precisa interrupción del

funcionamiento para el mantenimiento preventivo

Realizado por: Emmanuel Cabau (2000)

Fuente: Cuaderno Técnico n° 144, p.11

Se debe entender los tiempos medios que son los que definen la confiabilidad, mantenibilidad y

disponibilidad de los equipos.

MTTF o MTFF (En inglés Mean Time For First Failure): Tiempo medio hasta la falla, se

utiliza en equipos que solo fallan una vez, son equipos no reparables.

MTBF (En inglés Mean Time Between Failure): Tiempo medio entre dos fallos, se utiliza en

sistemas o equipos reparables.

MDT (En inglés Mean Down Time): Tiempo medio del fallo, entendiéndose como el tiempo no

operativo del equipo, comprendiendo la detección de la avería, el tiempo de intervención, el

tiempo de reparación y el tiempo de puesta en servicio.

MUT (En inglés Mean Up Time): Tiempo medio de funcionamiento entre fallas.

MTTR (En inglés Mean Time To Repair): Tiempo medio de reparación.

32

Según manifiesta Alberto Mora en su obra sobre Mantenimiento Industrial Efectivo (2012); en

las empresas muy maduras u organizadas en mantenimiento y en el área de ingeniería de

fábricas, generalmente se cumple lo siguiente:

- El MUT es infinitamente superior al MDT, al menos unas 10 veces

- Los tiempos de logística para la reparación tienden a cero o no existen.

- Por consiguiente, se cumple:

- MTBF = UT+DT, pero si UT >>>DT, entonces MTBT= UT

- DT= LDT (Logistic Down Time, logística de DT) + MTTR, con el LDT despreciable o

igual a cero, entonces DT=MTTR

Parámetros de Confiabilidad

Las plantas requieren que sus procesos y equipos sean confiables, disponibles y mantenibles.

Confiables.-

Los parámetros que definen la confiablidad son el tiempo medio entre fallas MTBF (en inglés

Mean Time between Failures) y la tasa de fallas λ.

1. MTBF.- Es el tiempo medio entre fallas y refleja con qué frecuencia ocurre una detención o

falla.

Ecuación 1-2

Figura 20-2 Parámetros MTBF

Realizado por: Sebastián Placencia

Fuente: Terminología del mantenimiento

MTBF =(𝑇5−𝑇1)+(𝑇6−𝑇2)+(𝑇7−𝑇3)

𝑛

33

2. Tasa Falla λ.- Es el número de veces que un ítem falla en un determinado tiempo. Se

define como el número de fallas de un dispositivo en un intervalo de tiempo dado.

En caso que el tiempo considerado sea muy pequeño se denomina “tasa instantánea de

fallo”.

La tasa de fallas λ no es constante en el ciclo de vida de un componente, equipo o

sistema, de tal manera que se comporta como se indica en el gráfico de la curva de la

bañera, denominada así por su forma.

En la curva de la bañera se identifica claramente tres periodos diferenciados.

Fallos Infantiles o también llamados Mortalidad Infantil.- Los fallos en este periodo

se denominan infantiles y principalmente pueden ser debidos a mecanismos de fallos

relacionados con problemas puntuales de fabricación, transporte o montaje.

Vida Útil.- En este periodo la tasa de falla es constante. Los mecanismos de fallo

predominantes en este periodo son debidos al azar.

Desgaste.- “La tasa de fallo es creciente, las averías y costes de mantenimiento se

disparan. Los mecanismos de fallo predominantes en esta etapa son debidos a la

aparición de fenómenos de degradación, desgaste o envejecimiento.” (AEC, 2016).

Figura 21-2 Curva de la bañera

Fuente: Asociación Española para la Calidad AEC (2016)

34

Para los equipos electrónicos en la curva de tasa de fallos solo se diferencian dos periodos, el

periodo de fallos infantiles y el de vida útil, cuando los equipos están instalados y funcionando

por algunos años prácticamente la tasa de fallos es constante y la confiabilidad se puede calcular

utilizando la función exponencial siguiente:

𝑅(𝑡) = 𝑒−𝜆𝑡 Ecuación 2-2

Dónde:

R (t) es la confiabilidad en función del tiempo.

λ es la tasa de fallos.

t = es el tiempo

Figura 22-2 Curva de confiabilidad para tasa de fallos constante

Fuente: Asociación Española para la Calidad AEC (2016)

Para el caso de un componente con tasa de falla constante, se tiene:

Ecuación 3-2

Para evaluar la confiabilidad de componentes o sistemas electrónicos, el concepto de tasa de

falla constante es usado, es decir las tasas de falla de componentes electrónicos permanece

constante durante la vida útil del componente. (Bloch y Geitner, 2006)

𝜆 =1

𝑀𝑇𝐵𝐹 𝑀𝑇𝐵𝐹 =

1

𝜆

35

Mantenibles.-

Mantenibilidad.- Es la capacidad de un elemento bajo unas condiciones de uso dadas para

mantenerse en, o ser devuelto a un estado en el cual pueda desarrollar una función requerida,

cuando el mantenimiento se ejecuta bajo condiciones determinadas y utilizando procedimientos

y recursos preestablecidos (Holguín, 2013).

La mantenibilidad se mide a través del termino MTTR (en inglés Mean Time to Repair) que es

el tiempo medio de reparación.

Ecuación 4-2

Figura 23-2: Mantenibilidad a través de MTTR



Disponibles

Disponibilidad.- Es la capacidad de un elemento de encontrarse en un estado para desarrollar

una función requerida bajo unas condiciones determinadas en un instante dado o bien durante

un intervalo de tiempo determinado, “asumiendo que se proveen los recursos externos

requeridos” (Holguín, 2013).

La disponibilidad se mide a través del termino A (en inglés Availability).

Ecuación 5-2

Figura 24-2 Disponibilidad a través de Availability



MTTR =𝑇1+𝑇2+𝑇3

𝑛

A=(𝑇5−𝑇1)+(𝑇6−𝑇2)+(𝑇7−𝑇3)

𝑇5+𝑇6+𝑇7=

𝑀𝑇𝐵𝐹

𝑀𝑇𝐵𝐹+𝑀𝑇𝑇𝑅

36

2.1.2.3 Diagrama de Bloques de Confiabilidad (RBD Reliability Block Diagram)

Los diagramas de bloques son ampliamente utilizados en la ingeniería y en la ciencia, además

existen en muchas diferentes formas, se utiliza para definir la interrelación entre componentes y

definir un sistema, por tanto, aquí se usa como un diagrama de bloques de confiabilidad RDB.

El diagrama de bloques de confiabilidad es un diagrama de eventos. La configuración de un

RDB implica primero la partición del ítem en elementos con tareas claramente definidas. Los

elementos los cuales son necesarios para la función requerida son entonces conectados en serie,

mientras que los elementos que pueden fallar sin efecto en la función requerida están

conectados en paralelo (redundancia).

Un diagrama de bloques de confiabilidad es una representación gráfica de los componentes del

sistema prudentemente conectados. Los diagramas de confiabilidad pueden diferir de cómo los

componentes son físicamente conectados. Un RBD de un sistema informático simplificado con

una configuración de ventilador redundante se muestra a continuación:

Figura 25-2 Ejemplo de un RBD

Fuente: Relia Soft. (2014)

Los RBDs son construidos con bloques. Los bloques son conectados con líneas de dirección que

representan la relación de confiabilidad entre los bloques. (ReliaSoft, 2014).

Utilizando RBDs se realiza el análisis estático de confiabilidad, un bloque estático es un bloque

con una confiabilidad que se conoce en momento dado, cada bloque tiene su confiabilidad en un

determinado tiempo, pero se desconoce la confiabilidad total del sistema, luego que se obtenga

la confiabilidad del sistema hay que realizar el análisis en función del tiempo utilizando

distribuciones de falla exponenciales de cada componente, un RBD de análisis de confiabilidad

se presenta a continuación:

37

Figura 26-2 RBD para análisis de confiabilidad

Fuente: Relia Soft. (2014)

En sistemas complejos para resolver el RBD hay que simplificar el sistema a bloques serie y

paralelo.

El estado global de un sistema está determinado por el estado de sus componentes, entonces la

confiabilidad global del sistema depende de las confiabilidades de sus componentes.

Hay cuatro estructuras básicas entre la confiabilidad de un dispositivo y sus componentes. Estos

son: serie, paralelo, k-de-n, y todas las demás.

Figura 27-2 Sistema en serie

Fuente: Nachlas, J. (1995)

38

Figura 28-2 Sistema en paralelo


Figura 29-2 Sistema k-de-n


“Un ejemplo de un sistema k- de - n es el eje trasero de un gran remolque-tractor en el que el

funcionamiento de tres de las cuatro ruedas es suficiente para asegurar la movilidad.” (Nachlas,

1995).

En la categoría “todos los demás” están las diferentes combinaciones de las partes del sistema,

para resolver este tipo de sistemas complejos hay que llevarlos a sistemas equivalentes serie

paralelo.

Confiabilidad de las Estructuras en Serie

En los sistemas en serie una falla de un componente provoca la falla de todo el sistema, al

descomponer un sistema en subsistemas, se observa que gran cantidad de subsistemas están en

un arreglo en serie.

39

En definitiva, todos los componentes en serie de un sistema deben ser exitosos para que el

sistema sea exitoso.

Para sistemas que tengan subsistemas independientes, es decir en donde la falla de un

subsistema no afecta la tasa de fallas de otros subsistemas, la confiabilidad del sistema está dada

por la siguiente ecuación:

𝑅𝑠𝑠 = 𝑅1(𝑡). 𝑅2(𝑡) … . 𝑅𝑛(𝑡) = ∏ 𝑅𝑖(𝑡)𝑛𝑖=1 Ecuación 6-2

𝑅𝑠𝑠 = 𝑒−𝜆1𝑡. 𝑒−𝜆2𝑡 … … . . 𝑒−𝜆𝑛𝑡 = 𝑒−(∑ 𝜆𝑖)𝑛𝑖=1 𝑡

𝜆𝑠𝑠 = ∑ 𝜆𝑖

𝑛

𝑖=1

Dónde:

Rss es la confiabilidad del sistema serie

Ri es la confiabilidad del subsistema i-enésimo

λi es la tasa de fallos del subsistema i-enésimo

λss es la tasa de fallos del sistema en serie

Figura 30-2 RBD en serie

Fuente: System Analisys Reference – Reliasoft Corporation, May 5 2015)

Confiabilidad de las Estructuras en Paralelo

En una estructura de confiabilidad en paralelo el sistema fallara si todos sus subsistemas fallan,

la estructura en paralelo se usa para mejorar la confiabilidad del sistema.

La probabilidad de falla para un sistema con n subsistemas independientes en paralelo es la

probabilidad que el subsistema 1 falle y el subsistema 2 falle y todos los otros subsistemas

fallen. Dicho de otra manera, si el subsistema 1 es exitoso o el subsistema 2 es exitoso o

cualquiera de los n subsistemas son exitosos, entonces el sistema es exitoso.

40

Para sistemas que tengan subsistemas independientes, es decir en donde la falla de un

subsistema no afecta la tasa de fallas de otros subsistemas, la confiabilidad del sistema está dada

por la siguiente ecuación:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 1 − (1 − 𝑅1(𝑡))(1 − 𝑅2(𝑡)) … . (1 − 𝑅𝑛(𝑡)) Ecuación 7-2

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 1 − ∏(1 − 𝑅𝑖(𝑡))

𝑛

𝑖=1

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 1 − ∏(1 − 𝑒−𝜆𝑖𝑡)

𝑛

𝑖=1

Dónde:

Rsp es la confiabilidad del sistema paralelo

Ri es la confiabilidad del subsistema i-enésimo

λi es la tasa de fallos del subsistema i-enésimo

Figura 31-2 RBD en paralelo

Fuente: System Analisys Reference – Reliasoft Corporation (May 5 2015)

Confiabilidad de las Estructuras en Paralelo k-out-of-n

La configuración k-out-of-n es un caso especial de redundancia en paralelo. Este tipo de

configuración requiere que al menos k componentes tengan éxito del total de n componentes en

paralelo para que el sistema tenga éxito.

41

Por ejemplo, considerar un aeroplano que tiene 4 motores. Además, supongamos que el diseño

de la aeronave es tal que al menos dos motores están obligados a funcionar para que la aeronave

permanezca en el aire. Esto significa que los motores tienen una confiabilidad acertada en una

configuración k-out-of-n, donde k = 2 y n= 4. Más específicamente, ellos están en una

configuración 2 –out-of-4. (System Analisys Reference – Reliasoft Corporation, May 5 2015)

Figura 32-2 RBD Configuración k-out-of-n para componentes idénticos e

independientes


El más simple caso de componentes en configuración k-out-of-n es cuando los componentes son

idénticos e independientes.

En este caso la confiabilidad del sistema es evaluado con la siguiente distribución binomial:

𝑅𝑠(𝑘, 𝑛, 𝑅) = ∑ (𝑛𝑟

)𝑅𝑟𝑛𝑟=𝑘 (1 − 𝑅)𝑛−𝑟 Ecuación 8-2

42

Dónde:

n es el número total de componentes en paralelo

k es el mínimo número de componentes requeridos para que el sistema sea exitoso

R es la confiabilidad de cada componente

(𝑛𝑟

) es el combinatorio de r elementos en un conjunto de n

La ecuación que caracteriza al combinatorio es:

(𝑛𝑟) =

𝑛!

𝑟!(𝑛−𝑟)! Ecuación 9-2

Redundancia Standby

En redundancia standby los componentes redundantes están en una condición de carga ligera o

de no carga mientras no se necesitan y bajo plena carga cuando ellos están activados.

Los componentes tienen dos estados: un estado activo y un estado en standby. Los componentes

de redundancia standby tienen dos distribuciones de falla, uno para cada estado.

Cuando los componentes están en el estado standby, ellos tienen una distribución de falla de

inactividad, y cuando están operando ellos tienen una tasa de fallo de actividad.

1. Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Hot Standby.- En el caso en el que la

distribución de falla de inactividad y actividad son los mismos, las unidades están en una simple

configuración en paralelo, a esta configuración se la llama hot standby.

La configuración más básica de hot standby es dos ítems en paralelo, ambos de las cuales

pueden realizar las funciones especificadas individual e independientemente.

Figura 33-2 Dos ítems en paralelo, hot standby


43

Para ítems independientes hay cuatro posibles estados del sistema:

Ambos 1 y 2 funcionando, entonces el sistema funcionando.

1 en falla y 2 funcionando, entonces el sistema funcionando.

1 funcionando y 2 en falla, entonces el sistema funcionando

1 en falla y 2 en falla, entonces el sistema en falla.

La ecuación de confiabilidad que describe al sistema es la siguiente:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 1 − ∏ (1 − 𝑅𝑖(𝑡))𝑛𝑖=1

𝑛!

𝑟!(𝑛−𝑟)! Ecuación 10-2

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 1 − (1 − 𝑅1(𝑡))(1 − 𝑅2(𝑡))

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 𝑅1(𝑡) + 𝑅2(𝑡) − 𝑅1(𝑡)𝑅2(𝑡)

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 𝑒−𝜆1𝑡 + 𝑒−𝜆2𝑡 − 𝑒−𝜆1𝑡𝑒−𝜆2𝑡

Para ítems iguales, entonces λ1=λ2=λ, la ecuación es la siguiente:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 2𝑒−𝜆𝑡 − 𝑒−2𝜆𝑡 Ecuación 11-2

2. Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Warm Standby.- Cuando la tasa de

falla de los componentes standby es más bajo en modo inactivo que en modo activo, a esta

configuración se la llama warm standby.

En la estructura warm standby el componente en standby tiene la probabilidad de fallar mientras

espera ser usado.

Figura 34-2 # Ítems en paralelo, warm standby con switch ideal


Haciendo uso de ecuaciones tomadas de Reliability calculations for complex systems – Malte

Lenz y Joan Rhodin (2011, pág. 75), la confiabilidad para dos componentes se calcula

utilizando la siguiente ecuación:

44

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 𝑅1(𝑡) + ∫ 𝑓1𝑡

0(𝑥)𝑅2𝑠𝑏(𝑥)𝑅2𝑜𝑝(t-x) dx Ecuación 12-2

Dónde:

R1 (t) es la confiabilidad del componente 1

R2sb (t) es la confiabilidad del componente 2 en standby

R2op (t) es la confiabilidad del componente 2 en operación

f1(x) es la función de densidad de probabilidad

La función de densidad de probabilidad describe la probabilidad que un componente específico

falle en el tiempo t.

Considerando para el ítem 1 una distribución exponencial normal con tasa de falla λ, y el ítem 2

tiene una tasa de fallo λsb mientras esta en standby, y λ mientras esta en operación, se calcula la

confiabilidad del sistema hasta el tiempo t bajo las siguientes condiciones:

- El ítem 1 es exitoso hasta el tiempo t

- El ítem 1 es exitoso hasta el tiempo x, el ítem 2 es exitoso mientras esta en standby hasta el

tiempo x, y el ítem 2 es exitoso en operación para el tiempo t-x

- Para el caso particular cuando los componentes son independientes, cualquier dispositivo

de conmutación para llevar al ítem 2 al estado activo es considerado libre de fallas, la

confiabilidad del sistema es evaluado en la ecuación anterior, obteniendo:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = {𝑒−𝑡(𝜆−𝜆𝑠𝑏)((𝜆+𝜆𝑠𝑏)𝑒𝑡𝜆𝑠𝑏−𝜆𝑠𝑏)

𝜆𝑠𝑏, 𝑡›0

1, 𝑑𝑒 𝑜𝑡𝑟𝑎 𝑚𝑎𝑛𝑒𝑟𝑎 Ecuación 13-2

3. Confiabilidad de las Estructuras en Redundancia Cold Standby.- Cuando la tasa de fallo

del componente standby es cero (el componente no puede fallar) en modo inactivo, a esta

configuración se la llama cold standby.

Figura 35-2 # Ítems en paralelo, cold standby con switch ideal


45

En el gráfico se observa el ítem 1 activo que realiza las funciones del sistema y el ítem 2 pasivo

que se vuelve activo para realizar las funciones del sistema si el primer ítem falla.

Se asume lo siguiente:

- La tasa de falla activa de 2 solo se aplica cuando 1 ha fallado

- Cualquier dispositivo de conmutación para llevar a 2 al estado activo es considerado libre

de fallas

- La tasa de falla pasiva de 2 es cero

- Las tasas de fallas son constantes

- Entonces durante un intervalo de tiempo, t, hay tres resultados posibles:

- El ítem 1 sobrevive durante el tiempo t, entonces el sistema es exitoso.

- El ítem 1 sobrevive durante el tiempo t1 y el ítem 2 sobrevive el tiempo t-t1, entonces el

sistema es exitoso.

- Ambos ítems 1 y 2 fallan antes del tiempo t, entonces el sistema falla.

Para el caso en particular, cuando los componentes son independientes, la confiabilidad del

sistema es evaluado con la siguiente ecuación tomada de Reliability calculations for complex

systems (Lenz y Rhodin, 2011, pág. 70):

𝑅𝑠𝑝(𝑡) =𝜆2𝑒−𝜆1𝑡

𝜆2−𝜆1+

𝜆1𝑒−𝜆2𝑡

𝜆1−𝜆2 Ecuación 14-2

Dónde:

λ1 es la tasa de fallas activa del ítem 1

λ2 es la tasa de fallas activa del ítem 2

Para ítems iguales, entonces λ1=λ2=λ, la ecuación es la siguiente:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 𝑒−𝜆𝑡(1 + 𝜆𝑡) Ecuación 15-2

46

2.2 Estado del arte

2.2.1 Plataforma de Control

De acuerdo a la investigación elaborada por la autora Katherine Kaiser en su trabajo sobre

“Estudio de la plataforma integrada de automatización del fabricante Rockwell Automation y su

aplicación como solución real de automatización de un proceso industrial” (2008, p. 132), en

donde presenta que la plataforma con mayor importancia es la plataforma de ControlLogix, ya

que, en todas sus líneas de equipos, se encuentra integradas, todas las aplicaciones que una

industria podría requerir.

Menciona que cuando se debe introducir mejoras en el proceso, existe la posibilidad de agregar

módulos de E/S a un sistema ControlLogix en funcionamiento; es decir, elimina el tiempo de

parada y obviamente amplía las capacidades del sistema, porque no es necesario parar el

controlador o la red con el fin de hacerla más funcional.

Agrega que, desde el punto de vista de la arquitectura integrada, la plataforma que pasa a

cumplir un papel más importante es la plataforma de red, puesto que es la que comunica todas

las plataformas y a través de la cual es que la parte de supervisión puede tomar decisiones en

base a los datos que arrojan los equipos o dispositivos.

Determina que las plataformas de Visualización y gestión cumplen la tarea de dar a conocer los

datos recogidos desde los equipos que están en planta. Y, todo lo anterior no podría ser posible

si todas las plataformas en conjunto no estuvieran enlazadas; es por eso que la solución que

propone Rockwell Automation integra todos los equipamientos.

Finalmente indica que los equipos mostrados en su trabajo y también en varios sistemas de

automatización superan por mucho a los tradicionales, ya que un solo equipo de toda la gama

que existen cumple con muy altas prestaciones.

47

2.2.2 Controladores

Según presentan los autores de la investigación sobre “Automatización y control de un proceso

de destilación de alcohol crudo y etílico por medio de un Pac ControlLogix, con redundancia en

control y comunicación, usando RSLogix 5000 V16 e Intouch 10.0”; manifiestan que de

acuerdo a las conclusiones alcanzadas sobre la redundancia en control:

Proporciona la seguridad de que se tiene gobierno sobre el proceso en todo instante,

gracias a esta ventaja que ofrece los PAC’s ControlLogix 5561, por otra parte, estos

controladores por ser de gama alta se pueden fácilmente integrar con otras familias

y/o fabricantes, todo esto combinado con su velocidad de procesamiento y

característica Multitasking ofrece un mejor desempeño en la ejecución su

programación.

Con el montaje e implementación de los módulos FlexLogix y la instrumentación

instalada en la planta se tiene una protección contra explosiones basado en el criterio

de prevención, ya que estos equipos son intrínsecamente seguros.

La utilización de instrumentos de última tecnología nos asegura una correcta y fiable

lectura de las variables del proceso (temperatura, nivel, etc.) que en conjunto con el

procesamiento de estas señales y la acción tomada por el PAC se garantiza la calidad

del producto. (Castro, Sucunuta, y Manzur, 2010, p.184)

48

CAPÍTULO III

3. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

3.1 Metodología

La metodología perseverante en la presente investigación supone el uso de los métodos precisos

para alcanzar la ejecución del objeto de estudio, por lo que lo someteremos a los métodos

Inductivo y deductivo:

Método inductivo, porque parte de hechos particulares para obtener leyes generales.

Método deductivo, ya que parte de las leyes generales a las conclusiones particulares.

Método Cuantitativo y Cualitativo

De acuerdo al autor investigador Charles Reichardt, quien manifiesta una diferencia consistente

de estos métodos, de la siguiente manera:

Por métodos cuantitativos los investigadores se refieren a las técnicas experimentales

aleatorias, cuasi-experimentales, tests “objetivos” de lápiz y papel, análisis

estadísticos multivariados, estudios de muestras, etc. En contraste, y entre los

métodos cualitativos, figuran la etnografía, los estudios de caso, las entrevistas en

profundidad y la observación participativa.

Cada uno de estos tipos metodológicos, es decir el cuantitativo y el cualitativo, tiene

un grupo de partidarios quienes afirman que sus métodos preferidos son los mejor

adecuados para la evaluación. Seguidamente se incluye una muestra de las opiniones

que sustentan cada una de las partes del debate. (Reichardt, 1986, p. 3)

Por lo tanto, el presente trabajo tendrá la posibilidad de utilizar los métodos cuantitativo y

cualitativo; ya que para determinar la obsolescencia de las tarjetas del sistema de control PLC

ControlLogix 5000 de la planta de generación eléctrica Wartsila se usará el método cualitativo y

49

la confiabilidad del sistema será medido con el método cuantitativo de acuerdo a las tasas de

falla de los componentes de los PLC ControlLogix.

3.2. Técnicas e instrumentos de investigación

Tabla 1-3 Técnicas e instrumentos para la recolección de la información

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS

PROCEDIMIENTO

Encuesta, revisión de datos históricos y

modelado de datos

Métodos de investigación a ser

utilizado:

Método inductivo.

(Porque parte de hechos particulares

para obtener leyes generales.)

Método deductivo.

(Parte de las leyes generales a las

conclusiones particulares.)

Se recolectará la información en las

instalaciones de la planta de generación

eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa

Bloque 21.

Fechas de recolección de la

información:

Del 1 de octubre al 30 de Noviembre

del 2015.


Fuente: Investigación de campo (2015)

50

CAPÍTULO IV

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 Diagnóstico

4.1.1 Planta de Generación en el Bloque 21

Con base a la investigación personal realizada en la planta de generación en el Bloque 21, se

puede manifestar que se encuentra equipada con cuatro motores Wartsila VASA 32 modelo

12V32LN que utilizan como combustible petróleo pesado de 17 grados API.

Figura 1-4 Grupos electrógenos ubicados en Yuralpa B21

Fuente: Planta de Generación Eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa, Bloque 21 (2015)

La capacidad instalada de la planta de generación es de 16 MW, actualmente se generan 7 MW,

las cargas más grandes de consumo son 2 bombas de re-inyección de agua de producción de 1.3

MW cada una, una bomba de exportación de crudo hacia el oleoducto de 1 MW, y los

variadores de velocidad de 42 pozos productores de petróleo.

Actualmente el bloque 21 produce 7.000.00 barriles de petróleo y 52.000.00 barriles de agua. El

sistema de automatización y control de la planta está construido con PLC Allen Bradley

ControlLogix 5000.

51

La planta de generación está en funcionamiento desde el año 2003, por tanto, la plataforma de

control PLC ControlLogix 5000 tiene 13 años de funcionamiento continuo, debido a los años de

funcionamiento es necesario analizar y conocer la condición real del sistema de control.

Figura 2-4 Arquitectura del Sistema de PLC ControlLogix


Figura 3-4 Arquitectura del Sistema PLC ControlLogix Configurado en el HMI


52

En la Figura 3-4 se muestra la arquitectura del sistema ControlLogix 5000 de la planta de

generación, el PLC principal es el Common y los PLC de los grupos electrógenos están

denominados como Genset 1, Genset 2, Genset 3 y Genset 4, todos los PLC están

comunicándose entre ellos por medio de redes industriales Controlnet y Ethernet.

4.1.2 Common – PLC Principal

- El Common es el PLC principal de la arquitectura, los chasises (en inglés rack) A1 y A2

son redundantes, siendo A1 el chasis primario y A2 el secundario. El PLC principal está

ubicado en el tablero CFA901 controla los equipos comunes de toda la planta de

generación (equipos auxiliares) y monitorea los parámetros de protección del

MV_Switchgear (Switchgear de Medio Voltaje).

- El sistema PLC common controla todas las operaciones y recopila todas las E/S (entradas y

salidas, traducido del idioma ingles Input/Output I/Os) que son comunes para la planta de

generación.

- Los chasises A1 y A2 son idénticos para que funcione la redundancia, los dos contienen:

fuentes de alimentación, 2 CPUs, tarjetas controlnet, y los módulos redundantes SRM. El

chasis A3 incluye: fuente de alimentación, tarjeta de comunicación controlnet, tarjeta de

comunicación ethernet y varias tarjetas diferentes de E/S. El PLC common también tiene

dos chasis remotos (A4 y A5) los cuales están instalados en el panel MV_Switchgear y se

utiliza para monitorear los parámetros de protecciones de los interruptores de 13.8 kV (en

inglés MV_Switches) por medio de los Multinin.

4.1.3 PLC Genset – PLC del grupo Electrógeno

- El propósito del sistema de PLC Genset es controlar el grupo electrógeno Wartsila y todos

los sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento.

- El PLC recopila todos los datos disponibles de los grupos electrógenos y los transfiere al

HMI WOIS (Human-Machine-Interface) para propósitos de monitoreo de las variables de

operación.

- El sistema de PLC Genset controla todas las operaciones y recopila todas las E/S de una

máquina. La operación típica del PLC Genset, es arrancar y parar el motor, control de la

53

potencia activa y reactiva, paro de emergencia (en inglés shutdown) y disparos de los

interruptores de 13.8 kV.

- El Genset consta de un chasis 1756 PLC en el panel de control CFC0_1 (A1) y dos chasis

remotos FLEX I/O PLC en el panel de control CFE0_1 (A2, A3) y un chasis I/O PLC en el

panel MV_Switchgear (A4). Un Panelview 1000 Controlnet está ubicado en la puerta del

panel CFC0_1 y uno en la puerta del panel CFE0_1. El VAMP 260 Unidad de monitoreo

de potencia (Power Monitoring Unit PMU) se comunica con el módulo MVI 56 - MCM

Modbus Maestro/Esclavo ubicado en el chasis 1756 I/O PLC slot 1 del panel MV-

Switchgear.

- La configuración de hardware y software es el mismo para cada uno de los PLC Genset.

Figura 4-4 Switchgear de 13.8 kV


Figura 5-4 Tableros de control del sistema de PLC en cuarto de operaciones


Por los 13 años de funcionamiento ininterrumpido del sistema de PLC es necesario conocer la

confiabilidad y dependiendo del resultado tomar la decisión de seguir funcionando en las

actuales condiciones o realizar la actualización a las nuevas versiones de software y hardware.

54

Los PLC ControlLogix son costosos, se estima que el costo de actualizar el sistema de control a

las nuevas versiones es de $500.000.00, el gasto es oneroso y esta es la razón principal para

conocer la confiabilidad del sistema y evaluar si puede seguir funcionando en las actuales

condiciones para no realizar un gasto innecesario.

4.2 Producto final del proyecto de investigación

4.2.1 Procedimiento

Antes de empezar a calcular la confiabilidad del sistema se realizan las siguientes

consideraciones:

1. Los componentes que forman el sistema están en parte de la curva de la bañera

denominada vida útil (Figura 21-2), aquí la tasa de falla λ (1/MTBF) es constante, por

tanto la confiabilidad se calcula utilizando la ecuación 𝑅(𝑡) = 𝑒−𝜆𝑡

2. La media (cables de comunicación) de las redes de comunicaciones que unen los

diferentes racks se asume que no fallan y de confiabilidad 1, la afirmación se considera

cierta ya que por sí solos no fallan los cables.

3. Los datos de MTBF de los componentes del sistema no son tomados del campo porque

los PLC son sistemas muy robustos que prácticamente no fallan y las pocas fallas que

han existido no han sido documentadas adecuadamente, además la gran mayoría de

componentes no han fallado en el tiempo de funcionamiento de la planta y por tanto no

se tiene datos que ayuden al análisis de confiabilidad, por tanto, los datos de MTBF

utilizados son los entregados por el fabricante (Ver Anexo A).

4. En el cálculo de confiabilidad no se considera el análisis del SCADA porque no es parte

del proyecto.

5. Se toma la confiabilidad en un año de funcionamiento como el valor de partida para el

análisis, se realiza esta consideración porque la confiabilidad se evalúa en un periodo de

tiempo y es un periodo muy aceptado en la industria.

55

6. Se toma como periodo de estudio 13 años.

7. El sistema de control funciona las 24 horas del día y todos los días del año.

Los pasos a seguir para el análisis y cálculo de la confiabilidad es el siguiente:

1. Levantamiento en sitio de la arquitectura del tablero principal CFA901, para ordenar los

ítems que intervienen en cada rack (también llamado backplate, chasis) se usa el

siguiente formato:

Tabla 1-4 Formato para cálculo de confiabilidad


Los casilleros se interpretan de la siguiente manera:

En el casillero ITEM se enumera los componentes de cada rack:

En el casillero POS PLC se identifica la posición del ítem, por ejemplo, A1.0 indica que

el elemento está ubicado en el rack A1 en la ranura 0 (en inglés slot 0).

En el casillero DESCRIPCION se da el nombre largo del ítem.

En el casillero CODIGO está el número de catálogo que identifica al componente, por

ejemplo 1756-CNBR/D.

En el casillero REVISION se identifica el número de revisión por parte del fabricante,

generalmente se utiliza para comprobar compatibilidades con el resto de componentes

que forman el rack y los racks.

2. Levantamiento en sitio de la arquitectura del PLC Genset de cada generador.

Secuencialmente se realiza el levantamiento de la arquitectura del PLC Genset 1, PLC

Genset 2, PLC Genset 3, PLC Genset 4. Para ordenar los datos se usa el formato antes

descrito.

Item POS PLC Descripción Código Revisión Fabricante

56

3. Cálculo de la confiabilidad del PLC principal CFC901, los pasos a seguir son los

siguientes:

3.1 Elaborar el diagrama RBD del backplate A1

3.2 Elaboración de la hoja de cálculo siguiente:

Tabla 2-4 Hoja de cálculo para calcular la confiabilidad


A partir del MTBF en horas, que es dato del fabricante se calcula la tasa de fallas de

cada componente, en el periodo de 8760 horas que es un año se calcula la confiabilidad

de cada componente y luego utilizando la fórmula de confiabilidad para componentes

en serie se obtiene el valor total del rack. Para el cálculo de la confiabilidad en 13 años

de funcionamiento se utiliza 113880 horas.

3.3 El mismo procedimiento se realiza para los racks A2, A3, A4 y A5.

3.4 Se presenta el diagrama RBD simplificado de todo el PLC CFA 901 y se resuelve

la redundancia hot standby de los racks A1 y A2.

3.5 Se presenta el nuevo diagrama simplificado del PLC CFA 901 y se calcula la

confiabilidad total.

4. Cálculo de la confiabilidad del PLC Genset 1, los pasos a seguir son los siguientes:

4.1 Elaboración del diagrama RBD del backplate A1.

4.2 Elaboración de la plantilla de la hoja de cálculo de confiabilidad.

4.3 Cálculo de la tasa de falla de cada componente del rack.

4.4 Cálculo de la confiabilidad individual de cada componente para un año.

4.5 Cálculo de la confiabilidad total del rack para un año.

4.6 Repetir el procedimiento para los racks A2, A3, A4 y A11.

4.7 Presentar el diagrama RBD equivalente.

4.8 Calcular la confiabilidad total del PLC Genset 1 utilizando las fórmulas para ítems

en serie.

BackplatePosición

backplateCódigo Descripción MTBF

Tasa de

fallas λ

Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A1

57

5. Cálculo de la confiabilidad de los PLC Genset 1, Genset 2, Genset 3, Genset 4, los

pasos a seguir son los descritos en el ítem 4.

6. Cálculo de confiabilidad de los 4 PLC de los generadores en configuración 2-out-of-4.

7. Cálculo de la confiabilidad total de los PLC de la planta de generación

7.1 Elaboración del diagrama RBD equivalente formado por el equivalente del CFA901

y el resultado de la arquitectura 2-out-of-4 de los PLC de los generadores

7.2 Cálculo de la confiabilidad total utilizando las fórmulas para ítems en serie.

4.2.2 Evaluación Preliminar

4.2.2.1 Evaluación de la Confiabilidad del Sistema en 1 Año de Funcionamiento

En la actualidad, las aplicaciones de procesos tienen sistemas automatizados de alta

disponibilidad y confiabilidad.

Utilizando diagramas de bloques de confiabilidad RBD (Reliability Block Diagrams) se evalúa

el estado inicial y actual de la arquitectura del sistema de PLC de la planta de generación. La

arquitectura de PLC está compuesta por sus componentes y la unión de componentes forman un

subsistema, y la unión de subsistemas forman un sistema.

Se parte del cálculo de confiabilidad de cada uno de los componentes y por medio de

ecuaciones se calcula la confiabilidad de los subsistemas para obtener como resultado final la

confiabilidad de todo el sistema.

Para construir los diagramas RBD de un sistema, los componentes que son importantes para el

éxito de su función se colocan en serie y los componentes que al fallar no afectan el éxito de la

función se colocan en paralelo.

En definitiva, los diagramas RBD son una herramienta para representar a un sistema y sus

componentes con la finalidad de calcular la confiabilidad total.

58

RBD DEL PLC PRINCIPAL CFA901

El PLC principal está compuesto de 5 racks, A1, A2, A3, A4, A5 y un interfaz de operador

(operator interface, panelview 1000, HMI) A11. Los racks A1 y A2 son redundantes, los racks

A3, A4, A5 son importantes para la operación y en caso de que falle alguno todo el sistema

falla.

El interfaz de operador A11 muestra variables comunes de la planta, pero en la práctica los

responsables de operar la planta de generación no lo usan porque tienen las mismas variables

mostrándose en el sistema scada, por tanto, no es necesario incluirlo en el diagrama RBD ya que

en caso de fallar no afecta al éxito de la función requerida por el sistema.

Figura 6-4 Arquitectura del PLC principal

Fuente: Technical information 7B 02 OEM MANUALS Electrical and control systems-Control system drawings, Wartsila (Agosto

2003)

Los componentes de cada rack se muestran en las siguientes tablas:

59

Tabla 3-4 CFA 901 RACK A1

ÍTEM POS PLC DESCRIPCIÓN CÓDIGO REVISIÓN FABRICANTE

1 A1 Backplane 7 position 1756-A7 Allen Bradley

2 A1 Power supply-24 VDC 1756-PB75A E01 Allen Bradley

3 A1 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5

M RAM 1756-L55M13/A 8.90 Allen Bradley

4 A1.1 Control Net Bridge Redundant 1756-CNBR/D 5.1 Allen Bradley


6 A1.3-A1.4 Redundant card 1757-SRM/B D Allen Bradley






3 A2 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5

M RAM 1756-L55M13/A 8.90 Allen Bradley



6 A2.3-A2.4 Redundant card 1757-SRM/B D Allen Bradley





2 A3 Power supply-24 VDC 1756-PB75/A E01 Allen Bradley

3 A3.0 Ethernet comunication module 1756-ENBT/A 1.1 Allen Bradley



6 A3.3 Analog input-16 channel-Bipoar 1756-IF16 1.1 Allen Bradley

7 A3.4 Digital output-32 outputs- 24VDC 1756-OB32 2.1 Allen Bradley

8 A3.5 Digital input-32 inputs- 24VDC 1756-IB32 2.1 Allen Bradley


10 Redundant fibre cable 1756-SRC1 Allen Bradley


Tabla 6-4 CFA 901 RACK A4 MV-SWG






5 A4.2 Generic 1756 Module MVI56-MCM 1.2 Prosoft

6 A4.3 Digital 16 input-10V-30V Isolated 1756-IB16I 1.1 Allen Bradley

7 A4.4 Digital 16 output-Isolated Relay 1756-OW16I 1.1 Allen Bradley


60






5 A5.2 Generic 1756 Module MVI56-MCM 1.2 Prosoft

6 A5.3 Digital 16 input-10V-30V Isolated

Input 1756-IB16I 1.1 Allen Bradley



Tabla 8-4 OPERATOR INTERFACE A11


1 Panelview 1000 2711-K10C15L1/D B/FRD 4.20 Allen Bradley


RBD DEL CFA 901 RACK A1

Todos los componentes que forman el rack A1 son importantes para realizar la función

asignada, por tanto, si un solo elemento falla, el rack entero es afectado ya que no es capaz de

realizar su misión asignada al 100%. En el siguiente grafico se representa el rack A1 y la

disposición de sus elementos.

1756-PB75A

1756-L55M13/A

1756-CNBR/D

1756-CNBR/D

1757-SRM/B

SPARE

SPARE

SPARE

0 6 72 3 4 51PS

1756-A7

Figura 7-4 Rack A1


En el caso de fallar un elemento, todo el rack falla, por tanto, en la representación de diagrama

RBD todos los componentes están en serie, en el siguiente grafico se detalla lo explicado:

61

1756-A7 1756-PB75A 1756-CNBR/D 1756-CNB/D 1757-SRM/B1756-

L55M13/AINICIO FIN

A1 PS 1 3 y 42 0

Figura 8-4 Diagrama RBD Rack A1


Aplicando las fórmulas para componentes en serie, se calcula la confiabilidad total del

rack en 1 año de funcionamiento.

En la siguiente tabla se presentan los resultados:

Tabla 9-4 Resultados de la confiabilidad total del rack A1 en 1 año



La disposición de elementos en el rack A2 es exactamente igual al rack A1, por tanto, los

resultados son los mismos.

1756-PB75A

1756-L55M13/A

1756-CNBR/D

1756-CNBR/D

1757-SRM/B

SPARE

SPARE

SPARE

0 6 72 3 4 51PS

1756-A7

Figura 9-4 Backplane A2


BackplatePosición

backplateCódigo Descripción MTBF Tasa de fallas λ

Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A1

1756-A7 Backplane 7 position 24194362 4.13319E-08 0.999637998

1756-PB75A Power supply-24 VDC 19171360 5.21611E-08 0.999543173

A1.0 1756-L55M13/A ControlLogix CLX5555 CPU 1.5 M RAM 2971020 3.36585E-07 0.99705586

A1.1 1756-CNBR/D Control Net Bridge Redundant 14920826 6.70204E-08 0.999413073


A1.3-A1.4 1757-SRM/B Redundant card 1456000 6.86813E-07 0.994001579

A1 0.989101659

62

1756-A7 1756-PB75A 1756-CNBR/D 1756-CNB/D 1757-SRM/B1756-

L55M13/AINICIO FIN

A1 PS 1 3 y 42 0






La disposición de los elementos en el rack A3 se presenta en el siguiente gráfico:

17

56

-PB

75

A

17

56

-EN

BT

/A

17

56

-CN

BR

/D

17

56

-CN

BR

/D

17

56

-IF1

6

17

56

-OB

32

17

56

-IB3

2

17

56

-IB3

2

SP

AR

E

SP

AR

E

SP

AR

E

0 6 7 8 92 3 4 51PS

1756-A10

Figura 11-4 Rack A3


BackplatePosición


Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A2







A2 0.989101659

63

Al realizar el levantamiento de información se halla que la tarjeta 1756-CNBR/D ubicada en la

posición 2 (en inglés slot 2) no es usada para el control de la planta de generación, por tanto, la

falla de la tarjeta no afecta al éxito de las funciones encomendadas al resto de componentes; por

consiguiente, no se la toma en cuenta para realizar los diagramas RBD y tampoco para el

cálculo de confiabilidad del rack A3.

Excluyendo la tarjeta 1756-CNBR/D ubicada en la posición 2, el resto de componentes que

forman el rack A3 son importantes; por tanto, en la representación RBD los componentes están

en serie como se indica en el siguiente gráfico:

1756-A10 1756-PB75A 1756-ENBT/A 1756-CNB/D 1756-IF16INICIO

FIN

A3 PS 0 1 3

1756-OB321756-IB321756-IB32

456

Figura 12-4 Representación RBD Rack A3


El cálculo de la confiabilidad total del rack en un 1 año se detalla en la siguiente tabla:

Tabla 11-4 Cálculo de la confiabilidad total del rack A3 en un 1 año


BackplatePosición


Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A3


1756-PB75/A Power supply-24 VDC 19171360 5.21611E-08 0.999543173

A3.0 1756-ENBT/A Ethernet comunication module 2617157 3.82094E-07 0.996658452


A3.3 1756-IF16 Analog input-16 channel-Bipoar 4888284 2.04571E-07 0.998209565

A3.4 1756-OB32 Digital output-32 outputs- 24VDC 2701205 3.70205E-07 0.996762256

A3.5 1756-IB32 Digital input-32 inputs- 24VDC 9341912 1.07044E-07 0.99906273


A3 0.988218191

64



17

56

-PB

75

A

17

56

-CN

BR

/D

17

56

-CN

BR

/D

MV

I56

17

56

-IB1

6I

17

56

-OW

16

I

SPA

RE

SPA

RE

SPA

RE

SPA

RE

SPA

RE

0 6 7 8 92 3 4 51PS

1756-A10

Figura 13-4 Rack A4


Todos los componentes son importantes para realizar la función asignada; por tanto, los

elementos en el diagrama RBD están en serie. En el siguiente grafico se representa el diagrama

RBD del rack A4.

1756-A10 1756-PB75A 1756-CNB/D1756-CNBR/

DMVI56 1756-IB16I

1756-OW16I

INICIO

FIN

A4 PS 0 21 3

4



El RBD abre el camino para visualizar la disposición de elementos y las reglas para hallar la

confiabilidad. El cálculo de la confiabilidad total del rack en un 1 año se detalla en la siguiente

tabla:

65





1756-PB75A

1756-CNBR/D

MVI56

1756-IB16I

1756-OW16I

SPARE

SPARE

SPARE

SPARE

SPARE

SPARE

0 6 7 8 92 3 4 51PS

1756-A10

Figura 15-4 Rack A5


Todos los componentes del rack A5 son importantes para realizar con éxito su función, por

tanto, el diagrama RBD se representa con todos sus elementos en serie.

1756-A10 1756-PB75A 1756-CNB/D MVI56 1756-IB16I 1756-OW16IINICIO

FIN

A5 PS 0 21 3



BackplatePosición


Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A4





A4.2 MVI56-MCM Generic 1756 Module 1884790 5.30563E-07 0.995363051

A4.3 1756-IB16I Digital 16 input-10V-30V Isolated Input 82201600 1.21652E-08 0.999893438

A4.4 1756-OW16I Digital 16 output-Isolated Relay 16031200 6.23784E-08 0.999453715

A4 0.992545922

66

El cálculo de la confiabilidad total del rack A5 se presenta en la siguiente tabla:



RBD EQUIVALENTE DEL PLC PRINCIPAL CFA901

Una vez calculado las confiabilidades de los rack individualmente el diagrama RBD equivalente

se representa en la siguiente figura:

0.989101659

0.988218191 0.992545922 0.993128816INICIO

FIN

A1

A3 A4 A5

0.989101659

A2

Figura 17-4 Diagrama RBD equivalente


En el RBD los racks A1 y A2 están en redundancia hot standby ya que los controladores están

sincronizados y por tanto el switchover es sin impacto. Utilizando la Ecuación 10-2 para

redundancia hot standby de 2 ítems en paralelo y las tasas de fallas de actividad e inactividad

son las mismas se calcula la confiabilidad, el resultado se detalla a continuación:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 𝑅1(𝑡) + 𝑅2(𝑡) − 𝑅1(𝑡)𝑅2(𝑡)

Si R1=R2=R, entonces:

𝑅𝑠𝑝(𝑡) = 2𝑅(𝑡) − 𝑅2(𝑡)

Reemplazando R = 0.989101659 se tiene que Rsp = RA1A2= 0.999881226

BackplatePosición


Confiabilidad en

1 año

Confiabilidad en 1

año backplate A5







A5 0.993128816

67

Aplicando el resultado, el diagrama RBD se reduce a lo siguiente:

0.999881226 0.988218191 0.992545922 0.993128816INICIO FIN

RA1A2 A3 A4 A5

Figura 18-4 Diagrama RBD equivalente con cálculo de confiabilidad


Utilizando la Ecuación 10-2 para confiabilidad en serie el resultado final es:

𝑅𝑠𝑠 = 𝑅1(𝑡). 𝑅2(𝑡) … . 𝑅𝑛(𝑡) = ∏ 𝑅𝑖(𝑡)

𝑛

𝑖=1

Entonces:

𝑅𝑠𝑠 = 𝑅𝐴1𝐴2(𝑡). 𝑅𝐴3(𝑡). 𝑅𝐴4(𝑡)𝑅𝐴5(𝑡)

Reemplazando los valores de confiabilidad en la ecuación anterior se tiene que la confiabilidad

total del PLC PRINCIPAL CFA901 en un año es: 0.973996623

RBD DEL PLC GENSET 1

El PLC del genset 1 está compuesto del rack A1 y el interfaz de operador A11 (panel view

1000) que se encuentra en el tablero CFC011 de la sala de control, los racks remotos A2, A3 y

el interfaz de operador A11 ubicados en el tablero CFE011 de la sala de máquinas, y el rack

remoto A4 ubicado en el MV_Switchgear de 13.8 KV. Los racks A1, A2, A3, A4 son

importantes para la operación y en caso de que falle alguno todo el sistema falla, el interfaz de

operador A11 ubicado en el CFC011 en sala de control no es importante para la operación de la

planta de generación, el interfaz de operador ubicado en el CFE011 de sala de control muestra

variables del Genset, pero en la práctica los responsables de operar la planta de generación no

lo usan porque tienen las mismas variables mostrándose en el sistema Scada, por tanto no es

necesario incluirlo en el diagrama RBD ya que en caso de fallar no afecta al éxito de la función

requerida por el sistema.

La arquitectura del PLC se muestra en el siguiente gráfico:

68

Figura 19-4 Arquitectura del PLC Genset 1

Fuente: Technical information 7B 02 OEM MANUALS Electrical and control systems-Control system

drawings, Wartsila (Agosto 2003)


Tabla 14-4 CFC 011 RACK A1




3 A1.0 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5 M 1756-L55M13/A 8.21 Allen Bradley


5 A1.2 Control Net Bridge 1756-CNB/D 5.1 Allen Bradley






69

Tabla 15-4 CFC 011 OPERATOR INTERFACE


1 Panelview 1000 2711-K10C15L1/D B/FRD 4.20 Allen Bradley Realizado por: Marco Cunachi

Tabla 16-4 CFE 011 FLEX I/O RACK A2

ÍTEM POS

PLC DESCRIPCIÓN CÓDIGO

REVISIÓ

N

FABRICANT

E

1 A2 Flex I/O Terminal Base 1794-TB3G Allen Bradley

2 A2 Flex I/O Control Net Adapter 1794-ACN15/C 3.1 Allen Bradley

3 A2.0 Flex I/O Thermocouple Input 8 Channel 1794-IRT8/A 1 Allen Bradley










1 A3 Flex I/O Terminal Base 1794-TB3 Allen Bradley

2 A3 Flex I/O Control Net Adapter 1794-

ACN15/C 3.1 Allen Bradley

3 A3.0 Flex I/O Analog Input 8 Channel 1794-IE8/B 2 Allen Bradley


5 A3.2 Flex I/O Digital Input 24 VDC 16 Channel 1794-IB16/A 1 Allen Bradley



8 A3.5 Flex I/O Digital Output 24 VDC 16

Channel 1794-OB16/A 1 Allen Bradley


Tabla 18-4 CFE 011 OPERATOR INTERFACE



Tabla 19-4 CFC 011 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG



2 A4 Power supply-24 VDC 1756-PB75/A D01 Allen Bradley


4 A4.1 Generic 1756 Module MVI56 1.2 Prosoft



7 A4.4 Analog output-4 channel non Isolated 1756-OF4 1.1 Allen Bradley


70

RBD DEL CFC 011 RACK A1

Al igual que en el RBD del CFA 901, en el RBD del CFC 011 todos los componentes que

forman el rack A1 son importantes para realizar la función asignada, por tanto, si un solo

elemento falla, el rack entero es afectado porque no es capaz de realizar la función asignada al

100%. En la siguiente figura se representa el rack A1 y la disposición de sus elementos.

1756-PB

75A

1756-L55M13/A

1756-ENB

T/A

1756-CN

B/D

1756-OB

32

1756-IB32

1756-IB32

1756-CN

BR

/D

SPA

RE

SPA

RE

SPA

RE

1756-A10

Figura 20-4 Rack A1 y la disposición de sus elementos


Todos los componentes son importantes para realizar la función asignada, por tanto, en el

diagrama RBD los componentes están en serie, en el siguiente grafico se detalla lo explicado:

1756-A10 1756-PB75A 1756-ENBT/A 1756-CNB/D 1756-OB32 1756-IB32

1756-IB32 1756-CNBR/D1756-

L55M13/A

INICIO

FIN

A1 PS 1 32 4

5 6 0

Figura 21-4 Diagrama RBD Rack 1


71

Aplicando las fórmulas para componentes en serie se calcula la confiabilidad total del rack en 1

año de funcionamiento, en la siguiente tabla se presentan los resultados:

Tabla 20-4 Resultados de la confiabilidad total del rack A1 en un 1 año


RBD DEL CFE 011 FLEX I/O RACK A2

Los módulos E/S (entrada salida, I/O) en el rack A2 están montados sobre la base 1794-TB3G,

no se utiliza el backplate 1756-Axx como en el caso de los anteriores PLC.

La disposición de los elementos se presenta en el siguiente gráfico:

1794-IRT8/A 1794-IRT8/A 1794-IRT8/A 1794-IRT8/A 1794-IRT8/A 1794-IRT8/A 1794-IRT8/A1794-

ACN15/C

0 1 2 3 4 5 6

1794-TB3G 1794-TB3G

Figura 22-4 RBD del CFE 011 Flex I/O rack A2


RackPosición

backplateCódigo Descripción MTBF

Tasa de fallas

λ

Confiabilidad

en 1 año

Confiabilidad

total Rack A1





A1.2 1756-CNB/D Control Net Bridge 6242839 1.60184E-07 0.998597776





0.985691933A1

72


diagrama RBD los componentes están en serie. Cada módulo de E/S (I/O) tiene su base 1756-

TB3G, en el diagrama RBD se presenta la base en serie con el modulo asociado, el adaptador

1794-ACNR15 no necesita base.

1794-TB3G 1794-IRT8/A 1794-TB3G 1794-IRT8/A 1794-TB3G 1794-IRT8/A

1794-IRT8/A

1794-TB3G 1794-IRT8/A

INICIO

FIN

0 0 1 21 2

4 33

1794-TB3G1794-IRT8/A1794-TB3G1794-IRT8/A1794-TB3G

455

6 6

1794-ACN15/C

Figura 23-4 Diagrama RBD Rack 2



año de funcionamiento; en la siguiente tabla se presentan los resultados:



BackplatePosición


Confiabilidad en 1

año

Confiabilidad en 1

año backplate A2

1794-ACN15/C Flex I/O Control Net Adapter 12677105 7.88824E-08 0.999309229

A2.0 1794-TB3G Flex I/O Terminal Base 70550480 1.41742E-08 0.999875841

A2.0 1794-IRT8/A Flex I/O Thermocouple Input 8 Channel 1268952 7.88052E-07 0.993120439













A2 0.951340235

73

RBD DEL CFE 011 FLEX I/O RACK A3

Al igual que en el rack A2, los módulos E/S (entrada salida, I/O) en el rack A3 están montados

sobre la base 1794-TB3G.

La disposición de los elementos se presenta en la siguiente figura:

1794-IE8/B 1794-IE8/B 1794-IB16/A 1794-IB16/A 1794-IB16/A1794-OB16/

A

1794-ACN15/C

0 1 2 3 4 5

1794-TB3 1794-TB3

Figura 24-4 RBD del CFE 011 Flex I/O rack A3



diagrama RBD los componentes están en serie.

Al igual que en el rack A2, cada módulo de E/S tiene su base 1756-TB3G, en el diagrama RBD

se presenta la base en serie con el modulo asociado, el adaptador 1794-ACNR15 no necesita

base.

1794-TB3 1794-IE8/B 1794-TB3 1794-IE8/B 1794-TB3 1794-IB16/A

1794-OB16/A

INICIO

FIN

0 0 1 21 2

4 33

1794-TB31794-IB16/A1794-TB31794-IB16/A1794-TB3

455

1794-ACN15/C



74


año de funcionamiento. En la siguiente tabla se presentan los resultados:



RBD DEL CFC 011 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG

Todos los componentes que forman el rack A4 son importantes para realizar la función

asignada, por tanto, si un solo elemento falla, el rack entero es afectado porque no es capaz de

realizar la función asignada al 100%.

En el siguiente grafico se presenta la disposición de elementos del rack A4.

1756-PB75A

1756-CNB/D

MVI56

1756-OB32

1756-IB32

1756-OF4

SPARE

SPARE

SPARE

SPARE

SPARE

0 6 7 8 92 3 4 51PS

1756-A10

Figura 26-4 Rack A4 y la disposición de sus elementos


BackplatePosición


Confiabilidad en 1

año

Confiabilidad en 1

año backplate A3


A3.0 1794-TB3 Flex I/O Terminal Base 415264448 2.4081E-09 0.999978905

A3.0 1794-IE8/B Flex I/O Analog Input 8 Channel 16998924 5.88273E-08 0.999484806




A3.2 1794-IB16/A Flex I/O Digital Input 24 VDC 16 Channel 142738416 7.00582E-09 0.999938631






A3.5 1794-OB16/A Flex I/O Digital Output 24 VDC 16 Channel 54390856 1.83854E-08 0.999838956

A3 0.997809001

75


diagrama RBD los componentes están en serie.

1756-A10 1756-PB75A 1756-CNB/D MVI56 1756-OB32 1756-IB32

1756-OF4

INICIO

FIN

A1 PS 0 21 3

4




año de funcionamiento.

En la siguiente tabla se presentan los resultados:



RBD EQUIVALENTE DEL PLC GENSET 1

El diagrama RBD equivalente se reduce a un sistema en serie, en donde todos son importantes

para tener éxito en la función requerida.

BackplatePosición


Confiabilidad en 1

año

Confiabilidad en 1

año backplate A4







A4.4 1756-OF4 Analog output-4 channel non Isolated 9470788 1.05588E-07 0.999075478

A4 0.987910016

76

0.985691933 0.951340235 0.997809001 0.987910016INICIO

FIN

A1 A2 A3 A4

Figura 28-4 Diagrama equivalente del PLC GENSET 1


Utilizando la Ecuación 10-2 para confiabilidad en serie el resultado final es:

𝑅𝑠𝑠 = 𝑅1(𝑡). 𝑅2(𝑡) … . 𝑅𝑛(𝑡) = ∏ 𝑅𝑖(𝑡)

𝑛

𝑖=1

Entonces:

𝑅𝑠𝑠 = 𝑅𝐴1(𝑡). 𝑅𝐴2(𝑡). 𝑅𝐴3(𝑡)𝑅𝐴4(𝑡)

Reemplazando los valores de confiabilidad en la ecuación anterior se tiene que la confiabilidad

total del PLC GENSET 1 en un año es: 0.924361551.


El PLC del genset 2 está compuesto del rack A1 y el interfaz de operador A11 (panelview 1000)

que se encuentra en el tablero CFC021 de la sala de control, los racks remotos A2, A3 y el

interfaz de operador A11 ubicados en el tablero CFE021 de la sala de máquinas, y el rack

remoto A4 ubicado en el MV_Switchgear de 13.8 KV.


77

Figura 29-4 Arquitectura del PLC del Genset 2

Fuente: Technical information 7B 02 OEM MANUALS Electrical and control systems-Control system drawings,

Wartsila (Agosto 2003)














Tabla 25-4 CFC 021 OPERATOR INTERFACE A11



78


ÍTEM POS PLC DESCRIPCIÓN CÓDIGO REVISIÓ

N

FABRICANT

E



3 A2.0 Flex I/O Thermocouple Input 8

Channel 1794-IRT8/A 1 Allen Bradley



























Tabla 28-4 CFE 021 OPERATOR INTERFACE A11













79

La arquitectura y los elementos del PLC del Genset 2 son los mismos que en el PLC del Genset

1, por tanto, los diagramas RBD y el valor de confiabilidad calculado es el mismo. Por

consiguiente, la confiabilidad total del PLC GENSET 2 en un año es: 0.924361551.


La arquitectura del PLC Genset 3 es igual a las arquitecturas de los PLC de los Genset 1 y 2. La

arquitectura del PLC se muestra en el siguiente gráfico:

Figura 30-4 Arquitectura del PLC del genset 3

Fuente: Technical information 7B 02 OEM MANUALS Electrical and control systems-Control system

drawings, Wartsila (Agosto 2003)


80


















N

FABRICANT

E




























8 A3.5 Flex I/O Digital Output 24 VDC 16 Channel 1794-OB16/A 1 Allen Bradley


81














La arquitectura y los elementos del PLC del Genset 3 son los mismos que en el PLC del Genset

1 y 2, por tanto, los diagramas RBD y el valor de confiabilidad calculado es el mismo.

La confiabilidad total del PLC GENSET 3 en un año es: 0.924361551.


La arquitectura del PLC Genset 4 es igual a las arquitecturas de los PLC de los Genset 1, 2 y 3.


82

Figura 31-4 Arquitectura del PLC del Genset 4

Fuente: Technical information 7B 02 OEM MANUALS Electrical and control systems-Control system drawings, Wartsila

(Agosto 2003)

















83



N

FABRICANT

E












































84

La arquitectura de los PLC del Genset 1, 2, 3, 4 son los mismos, por tanto, los diagramas RBD y

el valor de confiabilidad calculado es el mismo. Entonces la confiabilidad total del PLC

GENSET 4 en un año es: 0.924361551.

RBD EQUIVALENTE DE LOS PLC GENSET DE LOS 4 GENERADORES

La carga instalada de la planta de generación es de 16 MW, actualmente se generan 7 MW

utilizando 2 generadores. Para mantener funcionando las facilidades de extracción de crudo

únicamente se necesitan 2 generadores de los 4 que se tienen instalados.

Generalmente los PLC Genset 1, Genset 2, Genset 3, Genset 4 están encendidos y funcionando

adecuadamente las 24 horas del día, todos los días del año y todos los años desde que fueron

instalados. Partiendo de esta realidad y para que el sistema tenga éxito se requiere que 2 PLC

Genset tengan éxito para conseguir que 2 generadores generen la carga requerida, en otras

palabras se requieren al menos 2 PLC Genset funcionando adecuadamente y 2 en falla.

2 PLC GENSET FUNCIONANDO ADECUADAMENTE Y DOS EN FALLA

En el caso de que dos PLC están encendidos y funcionando, y dos PLC se encuentra en falla, el

diagrama de confiabilidad RBD está en configuración paralelo k-out-of-n, es decir 2 de 4, en

otras palabras el sistema tiene éxito si funciona 2 de 4. El RBD equivalente es el siguiente:

0.89480592

INICIO FIN

GENSET 1

0.89480592

GENSET 2

0.89480592

GENSET 3

0.89480592

GENSET 4

Figura 32-4 RBD Equivalente (PLC Genset funcionando adecuadamente y dos en falla)


85

Utilizando la Ecuación 8-2 de confiabilidad para sistemas en paralelo k-out-of-n se tiene

reemplazando los datos en la ecuación:

𝑅𝑠(2,4, 𝑅) = ∑ (4

𝑟) 𝑅𝑟

4

𝑟=2

(1 − 𝑅)4−𝑟

𝑅𝑠(2,4, 𝑅) = 6𝑅2 − 8𝑅3 + 3𝑅4

Reemplazando el valor de confiabilidad R de cada Genset se obtiene que el valor de

confiabilidad del sistema 2 out of 4 es 0.998367232 que es superior a la confiabilidad individual

del PLC Genset de los generadores.

El diagrama equivalente de confiabilidad de los PLC Genset de los generadores es el siguiente:

0.998367232INICIO FIN

2 out of 4

Figura 33-4 Diagrama equivalente de confiabilidad de los PLC Genset de los

generadores


RBD DEL SISTEMA TOTAL DE PLC DE LA PLANTA DE GENERACION

El diagrama RBD equivalente del sistema de PLC de la planta de generación se ha reducido a

un diagrama en serie como se muestra en el siguiente gráfico:

0.973996623 0.998367232INICIO FIN

PLC CFA 901 GENSET 2 OUT OF 4

Figura 34-4 Diagrama en serie del RBD equivalente del sistema PLC


Utilizando las ecuaciones de confiabilidad para bloques en serie se tiene que la confiabilidad

para un año del sistema de PLC de la planta de generación es 0.972406312.

86

El diagrama RBD final es el siguiente:


R TOTAL DEL

SISTEMA

Figura 35-4 Diagrama RBD final con confiabilidad para un año del sistema de PLC


4.2.2.2 Evaluación de la Confiabilidad del Sistema a los 13 Años de Funcionamiento

Aplicando los mismos principios que se utilizó para el cálculo de confiabilidad a 1 año de

funcionamiento detallado anteriormente, se calcula la confiabilidad a 13 años de

funcionamiento de todo el sistema de PLC de la planta de generación.

Las unidades del MTBF está dado en horas, por tanto los 13 años tiene (24*365*13) 113 880

horas y este valor es utilizado en las ecuaciones para el cálculo de confiabilidad.

RBD DEL PLC PRINCIPAL CFA901

En las siguientes tablas se detallan los cálculos de confiabilidad.



RackPosición


Confiabilidad en

13 años

Confiabilidad en 13

años backplate A1







A1 0.867225608

87





Tabla 45-4 RACK A4 MV-SWG




RackPosición


Confiabilidad en

13 años

Confiabilidad en 13

años backplate A2







A2 0.867225608

RackPosición


Confiabilidad en

13 años

Confiabilidad en 13

años backplate A3









A3 0.857209495

RackPosición


Confiabilidad en

13 años

Confiabilidad en 13

años backplate A4








A4 0.90731465

RackPosición


Confiabilidad en

13 años

Confiabilidad en 13

años backplate A5







A5 0.914266028

88

Con las confiabilidades de los racks individuales el diagrama RBD equivalente se representa en

la siguiente figura:

0.867225608

0.857209495 0.90731465 0.914266028INICIO

FIN

A1

A3 A4 A5

0.867225608

A2

Figura 36-4 Confiabilidades de los racks individuales en el diagrama RBD equivalente (A1-

A5) del PLC Principal


Resolviendo la redundancia hot standby de los racks A1 y A2 el diagrama RBD equivalente es

el siguiente:

0.982370961 0.857209495 0.90731465 0.914266028INICIO FIN

RA1A2 A3 A4 A5

Figura 37-4 Diagrama RBD equivalente Resolviendo la redundancia hot standby de los racks

A1 y A2


Resolviendo el diagrama RBD de confiabilidades en serie se tiene que la confiabilidad total del

PLC PRINCIPAL CFA901 en trece años es: 0.698542759.



PLC CFA 901

Figura 38-4 Diagrama RBD final de la confiabilidad del PLC PRINCIPAL

CFA901 en trece años



En las siguientes tablas se detallan los cálculos de confiabilidad.

89







RackPosición

backplateCódigo Descripción MTBF Tasa de fallas λ Confiabilidad

Confiabilidad total

rack A1










A1 0.829154816

RackPosición


Confiabilidad total

rack A2
















A2 0.522836911

RackPosición


Confiabilidad total

rack A3













A3.5 1794-OB16/A Flex I/O Digital Output 24 VDC 16 Channel 54390856 1.83854E-08 0.997908456

A3 0.971888463

90



Con las confiabilidades de los racks individuales el diagrama RBD equivalente se representa en

la siguiente figura:

0.829154816 0.522836911 0.971888463 0.853740827INICIO

FIN

A1 A2 A3 A4

Figura 39-4 Confiabilidades de los racks individuales en el diagrama RBD equivalente (A1-

A4)


Resolviendo el diagrama RBD de confiabilidades en serie se tiene que la confiabilidad total del

PLC GENSET 1 en trece años es: 0.359703235.



PLC GENSET 1

Figura 40-4 Diagrama RBD final de la confiabilidad del PLC Genset 1 en trece años


CONFIGURACION PARALELO K-OUT-OF-N

Por ejemplo, en el caso de que los PLC genset 1 y genset 2 están funcionando correctamente y

los de genset 3 y genset 4 están en falla, los PLC de los generadores están funcionando en

RackPosición


Confiabilidad total

rack A4








A4 0.853740827

91

configuración paralelo k-out-of-n, es decir 2 de 4, en otras palabras, el sistema tiene éxito si

funcionan 2 PLC de 4. El RBD equivalente es el siguiente:

0.359703235

INICIO FIN

GENSET 1

0.359703235

GENSET 2

0.359703235

GENSET 3

0.359703235

GENSET 4

Figura 41-4 RBD Equivalente (PLC genset funcionando adecuadamente y dos en falla)


Aplicando la ecuación para cálculo de la confiabilidad en una configuración 2- out- of- 4, la

confiabilidad es 0.454215337, esta confiabilidad es superior a la individual de cada PLC genset.

El diagrama equivalente de confiabilidad de los PLC genset de los generadores es el siguiente:


2 out of 4

Figura 42-4 Diagrama RBD final de la confiabilidad de los PLC genset


RBD DEL SISTEMA TOTAL DE PLC DE LA PLANTA DE GENERACION

El diagrama RBD equivalente del sistema de PLC de la planta de generación se ha reducido a

un diagrama en serie como se muestra en el siguiente gráfico:

0.698542759 0.45421534INICIO FIN

PLC CFA 901 GENSET 2 OUT OF 4

Figura 43-4 Diagrama RBD equivalente del sistema de PLC y genset en serie


92

Utilizando las ecuaciones de confiabilidad para bloques en serie se tiene que la confiabilidad

para trece años de funcionamiento del sistema de PLC de la planta de generación es

0.317288834.



R TOTAL DEL

SISTEMA

Figura 44-4 Diagrama RBD final de la confiabilidad del sistema PLC para bloques

en serie en trece años


4.2.3 Análisis de Resultados

4.2.3.1 Estudio de Obsolescencia

En el informe de auditoría del sistema de control de la planta de control elaborado por Thore

Bjorkgren / VEO y especialista en sistemas de control (Ver Anexo B), se detallan las tarjetas de

PLC obsoletas y que deben ser cambiadas porque su fabricación esta descontinuada y no hay

soporte técnico.

En las siguientes tablas se resume los hallazgos:

Tabla 51-4 Hallazgos CFA 901 RACK A1


ÍTEMPOS PLC DESCRIPCIÓN CÓDIGO REVISIÓNFABRICANTE OBSER



3 A1 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5 M RAM 1756-L55M13/A 8.90 Allen Bradley Obsoleto



6 A1.3-A1.4 Redundant card 1757-SRM/B D Allen Bradley Obsoleto

93

Tabla 52-4 Hallazgos CFA 901 RACK A2


Tabla 53-4 Hallazgos CFA 901 RACK A4 MV-SWG


Tabla 54-4 Hallazgos CFA 901 RACK A5 MV-SWG


Tabla 55-4 Hallazgos CFA 901 OPERATOR INTERFACE A11





3 A2 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5 M RAM 1756-L55M13/A 8.9 Allen Bradley Obsoleto



6 A2.3-A2.4 Redundant card 1757-SRM/B D Allen Bradley Obsoleto






5 A4.2 Generic 1756 Module MVI56-MCM 1.2 Prosoft Obsoleto

6 A4.3 Digital 16 input-10V-30V Isolated Input 1756-IB16I 1.1 Allen Bradley







6 A5.3 Digital 16 input-10V-30V Isolated Input 1756-IB16I 1.1 Allen Bradley



1 Panelview 1000 2711-K10C15L1/D B/FRD 4.20 Allen Bradley Obsoleto

94

Tabla 56-4 Hallazgos CFC 011 RACK A1


Tabla 57-4 Hallazgos CFC 011 I/O REMOTO RACK A4 MV-SWG


Tabla 58-4 Hallazgos CFE 011 OPERATOR INTERFACE


Tabla 59-4 Hallazgos CFC 011 OPERATOR INTERFACE





3 A1.0 ControlLogix CLX5555 CPU 1.5 M RAM 1756-L55M13/A 8.21 Allen Bradley Obsoleto



















95































96



























ÍTEM POS PLC DESCRIPCIÓN CÓDIGO REVISIÓN FABRICANTE OBSER




97































98

4.2.3.2 Resultados Obtenidos

Según los cálculos el sistema de PLC de la planta de generación en el año 1 de funcionamiento

tiene 0.972406312 de confiabilidad, esto quiere decir que hay 97.24 % de que el sistema tenga

existo en realizar su función y hay 2.76 % de probabilidad de falla.

El sistema PLC de la planta de generación en el año 13 de funcionamiento tiene 0.317288834 de

confiabilidad, por tanto, la probabilidad de éxito del sistema es de 31.72% y hay 68.28% de

probabilidad de falla. La probabilidad de falla a los 13 años de funcionamiento del sistema PLC

es muy elevada, por tanto, se analizan las acciones para subir la confiabilidad del sistema:

1. Establecer los reemplazos de los ítems obsoletos del sistema.

2. Identificar los ítems críticos que introducen baja confiabilidad al sistema.

3. Cambiar los ítems obsoletos y los que introducen baja confiabilidad al sistema.

4.2.3.3 Verificación de la Hipótesis

El presente trabajo presenta una investigación inductiva-deductiva, por tanto para verificar la

hipótesis fue necesaria la utilización de la encuesta, cuyo cuestionario compendió preguntas de

tipo cerrado y los datos obtenidos suministraron los encuestados en las instalaciones de la planta

de generación eléctrica Wartsila ubicada en Yuralpa Bloque 21. (Ver Anexo C)

Variables

Variable independiente: “El análisis de confiabilidad”

Variable dependiente: “Identificar las áreas potenciales de fallo y predecir el número de paradas

no programadas en el tiempo para planificar el mantenimiento

preventivo del sistema PLC”

Desarrollo

La encuesta aplicada en las instalaciones de la planta de generación eléctrica Wartsila ubicada

en Yuralpa Bloque 21, obtuvo los resultados que a continuación se detallan.

99

Pregunta 1: ¿Cree que un análisis de confiabilidad permitirá prevenir paradas no programadas

del sistema PLC?

Tabla 72-4 Respuestas pregunta 1

Alternativas Respuestas Porcentaje

Si 7 100.00%

No 0 0.00%

Tal vez 0 0.00%

TOTAL 7 100%


Fuente: Encuesta (2015)

Figura 45-4 Representación gráfica de porcentajes de respuestas a la pregunta 1



Análisis e Interpretación

El 100% de los encuestados contestan que el análisis de confiabilidad permitirá prevenir paradas

no programadas de la plataforma PLC, esto verifica la concordancia de la variable

independiente y dependiente de la hipótesis.

100

Pregunta 2: ¿Considera que existen áreas potenciales de fallo en el sistema PLC?

Las respuestas a la segunda pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 6 85.71%

No 0 0.00%

Tal vez 1 14.29%

TOTAL 7 100.00%







El 85.7% de los encuestados contestan que existen áreas potenciales de fallo en la plataforma

PLC, el 14.3% de los encuestados responden que tal vez, el 0% de los encuestados responden

que no, esto verifica la variable dependiente de la hipótesis.

101

Pregunta 3: ¿Conoce el grado de confiabilidad que posee el sistema PLC?

Las respuestas a la tercera pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 1 14.13%

No 5 71.40%

Tal vez 1 14.13%

TOTAL 7 100,00%







El 14.3% de los encuestados contestan que conocen el grado de confiabilidad del sistema, el

14.3% responden que tal vez, el 71.4% responden que no, esto verifica la variable independiente

de la hipótesis porque la mayor parte de encuestados no conocen el valor de confiabilidad de la

plataforma PLC.

102

Pregunta 4: ¿Cree que el mantenimiento preventivo del sistema PLC ayudaría en algo?

Las respuestas a la cuarta pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 6 85.70%

No 0 0.00%

Tal vez 1 14.30%

TOTAL 7 100,00%







El 85.7% de los encuestados contestan que el mantenimiento preventivo del sistema PLC

ayudaría en algo, el 14.3% responden que tal vez, nadie responde que no, esto verifica la

variable dependiente de la hipótesis porque la mayor parte de encuestados reconocen el valor

del mantenimiento preventivo.

103

Pregunta 5: ¿Cree usted que el sistema PLC ha tenido o tiene planificado un mantenimiento

preventivo?

Las respuestas a la quinta pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 6 85.70%

No 0 0.00%

Tal vez 1 14.30%

TOTAL 7 100,00%







El 85.7% de los encuestados contestan que cree que el sistema PLC ha tenido o tiene

planificado un mantenimiento preventivo, el 14.3% responden que tal vez, nadie responde que

no, si bien es cierto que la plataforma PLC de la planta de generación tiene rutinas de

mantenimiento preventivo, ninguna desde el punto de análisis de confiabilidad, los nuevos datos

que aporta el análisis de confiabilidad mejorará los planes de mantenimiento preventivo.

104

Pregunta 6: ¿Conoce las posibles consecuencias de paradas no programadas en el sistema

PLC?

Las respuestas a la sexta pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 6 85.70%

No 0 0.00%

Tal vez 1 14.30%

TOTAL 7 100,00%







El 85.7% de los encuestados contestan que conocen las posibles consecuencias de paradas no

programadas en el sistema PLC, el 14.3% responden que tal vez, nadie responde que no, esto

verifica la variable dependiente de la hipótesis porque la mayor parte de encuestados conocen

las consecuencias de las paradas no programadas.

105

Pregunta 7: ¿Conoce si se ha realizado anteriormente un análisis de confiabilidad al sistema

PLC?

Las respuestas a la séptima pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 0 0.00%

No 6 85.70%

Tal vez 1 14.30%

TOTAL 7 100,00%







El 85.7% de los encuestados contestan que no conocen si se ha realizado anteriormente un

análisis de confiabilidad al sistema PLC, el 14.3% responden que tal vez, nadie responde que sí,

esto verifica la variable independiente de la hipótesis porque la mayor parte de encuestados no

conocen el valor de confiabilidad de la plataforma PLC.

106

Pregunta 8: ¿Sin un análisis de confiabilidad ha sido posible identificar las áreas potenciales de

fallo y predecir el número de paradas no programadas del sistema PLC?

Las respuestas a la octava pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 1 14.30%

No 5 71.40%

Tal vez 1 14.30%

TOTAL 7 100,00%



Figura 52-4 Porcentajes de respuestas a la pregunta 8




El 14.3% de los encuestados contestan que sin un análisis de confiabilidad ha sido posible

identificar las áreas potenciales de fallo y predecir el número de paradas no programadas del

sistema PLC, el 71.4% responden que no, el 14.3% responden que tal vez, esto verifica la

variable independiente y dependiente de la hipótesis.

107

Pregunta 9: ¿Conoce los potenciales errores que pueden darse en el sistema PLC?

Las respuestas a la novena pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 6 85.70%

No 1 14.30%

Tal vez 0 0.00%

TOTAL 7 100,00%







El 85.7% de los encuestados contestan que conocen los potenciales errores que pueden darse en

el sistema PLC, el 14.3% responden que no, nadie responde que tal vez, esto verifica la variable

dependiente de la hipótesis.

108

Pregunta 10: ¿Cree que la confiabilidad del sistema PLC haya disminuido con el uso y el paso

del tiempo?

Las respuestas a la décima pregunta se presentan en la siguiente tabla y gráfico:



Si 5 71.40%

No 2 28.60%

Tal vez 0 0.00%

TOTAL 7 100,00%







El 71.4% de los encuestados contestan que creen que la confiabilidad del sistema PLC haya

disminuido con el uso y el paso del tiempo, el 28.6% responden que no, nadie responde que tal

vez, esto verifica la variable independiente de la hipótesis.

109

Decisión Concluyente

De acuerdo a las respuestas de la encuesta previamente analizadas, se acepta la hipótesis la

misma que expresa:

“El análisis de confiabilidad permite identificar las áreas potenciales de fallo y predecir el

número de paradas no programadas en el tiempo para planificar el mantenimiento preventivo

del sistema PLC”.

Motivo por el cual la propuesta permitirá la mejora de la confiabilidad de la plataforma de

control PLC ControlLogix 5000 de la planta de generación eléctrica Wartsila Vasa 32 ubicada

en Yuralpa Bloque 21.

4.2.3.4 Aporte Científico

La metodología propuesta permite calcular la confiabilidad de la plataforma de PLC en

cualquier periodo de tiempo.

110

CAPÍTULO V

5. PROPUESTA

5.1 Establecer los reemplazos de los ítems obsoletos del sistema

La tabla siguiente muestra los reemplazos para los módulos obsoletos.

Tabla 1-5 Módulos obsoletos y sus respectivos reemplazos


En la tabla el procesador 1756-L72 tiene el MTBF 8.14 veces mayor que el 1756-L55, la tarjeta

MVI56E-MCM tiene el MTBF 2 veces mayor que el MVI56-MCM, esto indica que la mayoría

de las nuevas versiones de los módulos de PLC son de confiabilidad mejorada.

5.2 Identificar los ítems críticos que introducen baja confiabilidad al sistema

A los 13 años de funcionamiento la confiabilidad 0.454215337 de los PLC Genset en

configuración 2-out-of-4 es la que introduce la baja confiabilidad del sistema total de PLC, por

tanto, para mejorar la confiabilidad se observa que el CFE 0_1 FLEX I/O RACK A2 es el rack

de menor confiabilidad 0.522836911 de los PLC genset1, genset2, genset3, genset4, y dentro

del rack en cuestión, la tarjeta 1794-IRT8 es la que tiene menor confiabilidad 0.914165778.

A pesar que la confiabilidad 0.914165778 de la tarjeta 1794-IRT8 es alta, a los 13 años de

funcionamiento, las 7 tarjetas bajan la confiabilidad de todo el CFE 011 FLEX I/O RACK A2,

esto se debe a la arquitectura del rack, es decir al multiplicar confiabilidades en serie menores

que 1 el resultado final es un valor menor que cualquiera de los ítems, lo mismo sucede con los

Código Fabricante MTBF Código MTBF

6 ControlLogix CPU 1756-L55M13/A Allen Bradley 2971020 1756-L72 24194362

6 Generic 1756 Module MVI56-MCM Prosoft 1884790 MVI56E-MCM 3785618

2 Redundant card 1757-SRM/B Allen Bradley 1456000 1756-RM 1373840

Módulos obsoletos ReemplazosCantidad Descripción

111

CFE0_1 FLEX I/O RACK A2 de los generadores 2, 3, y 4. En total son 28 tarjetas 1794-IRT8

que deben ser cambiados.

5.3 Cambiar los ítems obsoletos y los que introducen baja confiabilidad al sistema

Se calcula la confiabilidad cambiando los ítems obsoletos por sus reemplazos y las 7 tarjetas

1794-IRT8 en el rack CFE 0_1 FLEX IO A2 de los 4 PLC Genset.

A los ítems nuevos se evalúa la confiabilidad en el lapso de 1 año (8760 horas) de

funcionamiento, el resto de ítems del sistema se evalúan en 14 años (122640 horas) de

funcionamiento.

112

Tabla 2-5 Cálculo de confiabilidad de los PLC Genset de los 4 generadores en configuración 2-

out-of-4


Posición


Confiabilidad

rack A1

Confiabilidad

total 14 años

Confiabilidad

2- out-of- 4

1756-A10 Backplane 10 position 15923379 6.28007E-08 0.992327701 0.691250103 0.909533238


A1.0 1756-L72 ControlLogix CPU 24194362 4.13319E-08 0.999637998







Posición


Confiabilidad en

14 años

Confiabilidad

rack A2
















Posición


Confiabilidad en

14 años

Confiabilidad

rack A3







A3.2 1794-IB16/A Flex I/O Digital Input 24 VDC 16 Channel142738416 7.00582E-09 0.999141175






A3.5 1794-OB16/A Flex I/O Digital Output 24 VDC 16 Channel54390856 1.83854E-08 0.997747749

Posición


Confiabilidad en

14 años

Confiabilidad

rack A4




A4.1 MVI56E-MCM Generic 1756 Module 3785618 2.64158E-07 0.997688654




0.851425632

0.932239258

0.969759056

0.898043259

113

Dónde:

Representa los reemplazos de los ítems obsoletos

Representa las tarjetas 1794-IRT8 nuevas

Cambiando las 7 tarjetas 1794-IRT8 en el rack CFE 011 FLEX IO A2 se eleva la confiabilidad

del rack a 0.932239258, repitiendo la misma operación en los 3 restantes PLC genset se

consigue elevar la confiabilidad de los PLC Genset configuración 2-out-of-4 a 0.909533238

Tabla 3-5 Cálculo de confiabilidad del PLC principal CFA-901


Posición


Confiabilidad

rack A1

Confiabilidad A1 y

A2 en hot standby

Confiabilidad

de CFA-901

1756-A7 Backplane 7 position 24194362 4.13319E-08 0.994943876 0.998840603 0.784386916





A1.3-A1.4 1756-RM Redundant card 1373840 7.27887E-07 0.993643997

Posición


Confiabilidad

rack A2






A2.3-A2.4 1756-RM Redundant card 1373840 7.27887E-07 0.993643997

Posición


Confiabilidad

rack A3









Posición


Confiabilidad

rack A4








Posición


Confiabilidad

rack A5







0.965950087

0.965950087

0.847110016

0.958875785

0.966789632

114

Dónde:

Representa los reemplazos de los ítems obsoletos

Multiplicando el resultado de las dos tablas se tiene que la confiabilidad total del sistema a 14

años de funcionamiento luego de cambiar los ítems obsoletos y las 7 tarjetas 1794-IRT8 en cada

rack CFE 0_1 FLEX IO A2 de los 4 PLC Genset es 0.713425971, entonces se consigue que el

71.34% es la probabilidad de éxito y el 28.66% es la probabilidad que falle el sistema.

La siguiente tabla resume los resultados de confiabilidad:

Tabla 3-6 Comparativo de confiabilidad

Sub-sistemas

Confiabilidad

1 año de

funcionamiento

Confiabilidad

13 años de

funcionamiento

Confiabilidad

14 años de

funcionamiento

cambiando obsoletos y

tarjetas 1794-IRT8 de

los 4 PLC genset

Confiabilidad PLC CFA 901 0.973996623 0.698542759 0.784386916

Confiabilidad PLC genset 2-out-of-4 0.998367232 0.454215337 0.909533238

Confiabilidad total del sistema PLC 0.972406312 0.317288834 0.713425971 Realizado por: Marco Cunachi

115

CONCLUSIONES

El modelo probabilístico desarrollado para el cálculo utilizando diagramas RBD

permite visualizar el sistema desde el punto de vista de confiabilidad, en los diagramas

se observa claramente las relaciones de confiabilidad entre los distintos componentes,

racks, subsistemas y sistemas.

Aplicando el modelo desarrollado, se calcula la confiabilidad del sistema a 1 y 13 años

de funcionamiento, obteniéndose que el valor de confiabilidad al año 1 de

funcionamiento sea de 0.972406312 y a los 13 años es 0.317288834, comprobándose

que la confiabilidad disminuye con el tiempo.

Con el modelo probabilístico se comprueba que la confiabilidad de cualquier

componente disminuye en el tiempo, aunque no haya fallado en el periodo de estudio.

Al evaluar la confiabilidad del sistema a los 13 años de funcionamiento, se determina

que el rack CFE 0_1 FLEX I/O A2 introduce la baja confiabilidad en cada uno de los

PLC Genset, la baja confiabilidad se debe a que tiene muchos componentes en serie y

los módulos 1754-IRT8 tienen un MTBF relativamente bajo comparado con los otros

elementos que intervienen en el sistema.

A los 13 años de funcionamiento la redundancia hot standby de los racks A1 y A2 del

PLC principal CFA-901 sube la confiabilidad en 8.18% en comparación a no tener

redundancia.

La configuración k-out-of-n actual de los generadores por necesidades operacionales es

2-out-of-4, pudiendo cambiar con el tiempo de acuerdo a la capacidad de carga eléctrica

requerida por el proceso, esto puede llegar a ser 3-out-of-4 o el caso especial de 4-out-

of-4 que se comporta como un arreglo en serie de 4 elementos.

El MTBF de las tarjetas de los PLC están en el orden de los millones de horas, esta es la

razón por qué son robustos y prácticamente no fallan, las pocas fallas que han existido

han sido por factores externos, como por ejemplo manipulación de personas no

autorizadas, tormentas eléctricas, etc.

116

El modelo desarrollado evalúa la confiabilidad del sistema en cualquier periodo de

tiempo, tanto en el pasado como en el futuro, evaluar la confiabilidad en el futuro

permite predecir la confiabilidad y planificar la compra de materiales y las actividades

de mantenimiento, evaluar en el pasado permite conocer la confiabilidad al inicio de

operaciones.

El MTBF de las nuevas tarjetas de PLC es mayor que las obsoletas a ser cambiadas,

esto es un indicador que las nuevas versiones de hardware y software son de

confiabilidad mejorada.

Independientemente del análisis de confiabilidad, los ítems obsoletos necesariamente

tienen que ser cambiados porque no existen en el mercado y no hay soporte técnico del

fabricante; en caso de ocurrir algún problema con ellos, se tendría que inmediatamente

actualizar la plataforma de control y esto se traduce en conseguir recursos económicos y

técnicos que no están presupuestados para el actual año fiscal.

La propuesta de “cambiar los ítems obsoletos y los que introducen baja confiabilidad

del sistema” para mejorar la confiabilidad, es una de las tantas que se puede encontrar.

Existen otras soluciones, como por ejemplo realizar una reingeniería de la arquitectura,

cambiar todos los ítems por nuevos, aumentar redundancias, etc., todo dependerá de la

imaginación y capacidad económica de quienes administran la planta de generación.

117

RECOMENDACIONES

Con el modelo desarrollado, evaluar periódicamente la confiabilidad en el tiempo para

proyectar la compra de materiales y realizar el mantenimiento respectivo del sistema.

Actualizar continuamente las tarjetas de la plataforma de PLC, de esta forma se

mantiene la confiabilidad y la brecha tecnológica se acorta por los avances de las

nuevas versiones de hardware y software.

Alimentar correctamente en el programa de gestión de mantenimiento Máximo, los

mantenimientos correctivos realizados al sistema, para de esta manera obtener los datos

suficientes para calcular el MTBF de algunas tarjetas en un periodo de tiempo, hay que

ser ordenados y pacientes porque los tiempos entre fallas de los dispositivos son

extremadamente grandes.

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ANEXO A

DATOS DE MTBF

ANEXO B

INFORME DE AUDITORÍA DEL SISTEMA DE CONTROL

ANEXO C

ENCUESTA


INSTITUTO DE POSGRADO Y EDUCACIÓN CONTINUA

GESTIÓN DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Dirigido a los Ingenieros encargados.

El objetivo de esta encuesta es para sustentar el trabajo de investigación y establecer la situación

del sistema PLC.

Instrucciones: Favor leer la pregunta y contestar escogiendo el casillero correspondiente con

una X.

1. ¿Cree que un análisis de confiabilidad permitirá prevenir paradas no programadas del

sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

2. ¿Considera que existen áreas potenciales de fallo en el sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

3. ¿Conoce el grado de confiabilidad que posee el sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

4. ¿Cree que el mantenimiento preventivo del sistema PLC ayudaría en algo?

SI NO TAL VEZ

5. ¿Cree usted que el sistema PLC ha tenido o tiene planificado un mantenimiento

preventivo?

SI NO TAL VEZ

6. ¿Conoce las posibles consecuencias de paradas no programadas en el sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

7. ¿Conoce si se ha realizado anteriormente un análisis de confiabilidad al sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

8. ¿Sin un análisis de confiabilidad ha sido posible identificar las áreas potenciales de fallo y

predecir el número de paradas no programadas del sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

9. ¿Conoce los potenciales errores que pueden darse en el sistema PLC?

SI NO TAL VEZ

10. ¿Cree que la confiabilidad del sistema PLC haya disminuido con el uso y el paso del

tiempo?

SI NO TAL VEZ

Observaciones y sugerencias:

GRACIAS POR SU COLABORACIÓN

N°___

Documents

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE …dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/5118/1/20T00752.pdf5000 DE LA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA WARTSILA VASA 32 UBICADA EN YURALPA BLOQUE